Исследователи из Кембриджского университета создали новый тип нейронного импланта, который объединяет стволовые клетки с электроникой. Технология позволит подключать роботизированные протезы конечностей к нервной системе человека, чтобы они работали как настоящие руки и ноги.
Проблемы роботизированных протезов
Существует два метода работы с повреждениями периферийной нервной системы, то есть, с нервами, которые лежат вне мозгового и спинного мозга. В теории, восстановить такие нервы можно с помощью вживляемой нейротехнологии или с помощью клеточной терапии. Оба метода призваны восстанавливать работу парализованных конечностей, либо создавать новые искусственные связи, которые позволят электронным протезам занять место ампутированных рук или ног.
К сожалению, оба метода работают лишь в теории. На практике же, пересаженные в результате клеточной терапии нейроны не могут установить функциональные связи с остальным нервом. А вживленные электроды не могут эффективно связываться со здоровыми рабочими нервными клетками из-за рубцовой ткани, которая нарастает на месте травмы.
Кроме того, современные нейротехнологии все еще слишком грубы и плохо взаимодействуют с различными типами нейронов, ответственных за выполнение различных функций.
Перечисленные трудности до сих пор не позволяли людям устанавливать себе полнофункциональные искусственные конечности. Но, похоже, новый биогибридный нейроинтерфейс может разом решить все проблемы.
Биогибридный нейроинтерфейс
Ученые из Кембриджского университета разработали биогибридное устройство, которое объединяет человеческие стволовые клетки с биоэлектроникой.
Ключевой компонент устройства - индуцированные стволовые клетки (iPSCs). Это взрослые клетки (как правило, клетки кожи или крови), которые в лаборатории “перепрограммируют” так, чтобы они работали как эмбриональные стволовые клетки. То есть, они приобретают способность превращаться в клетки других типов.
Стволовые клетки разместили на матрице микроэлектродов, настолько тонкой, что по толщине она соответствовала оборванному концу нерва. Со временем эти стволовые клетки превратились в миоциты (клетки мышц), которые образовали прослойку между электродами и живой тканью.
Затем полученное биогибридное устройство было вживлено подопытных крыс. Покрытые слоем живых клеток электроды приложили к разорванным нервам в передних лапах крыс. Эти нервы были выбраны потому, что они практически идентичны человеческим нервам верхних конечностей.
Тесты показали, что прослойка из мышечных клеток на электродах эффективно блокирует образование рубцовой ткани. “Клетки, помещенные в промежуток между электроникой и живым организмом, заставляют тело не видеть электроды, а видеть просто клетки. Таким образом, рубцовая ткань не производится”, - поясняет доктор Дамиано Бароне, соавтор исследования.
Даже спустя четыре недели внедренные электроды не отторгались и вели себя как нормальные нервы, указывая на здоровую нейронную физиологию. Хотя прямая связь была нарушена - крысы по-прежнему не могли двигать поврежденными конечностями - устройство позволяло очень точно считывать сигналы, посылаемые мозгом. Эти сигналы можно считывать и передавать на роботизированные устройства.
Почему это важно?
Потому что это позволяет создавать практически полнофункциональные роботизированные протезы.
Современные бионические протезы работают довольно грубо. Они считывают не прямые сигналы мозга, а электрическую активность в мышцах на сохранившейся части руки или ноги. Прямое считывание сигналов с нерва позволяет интерпретировать команды гораздо точнее. Соответственно, роботизированной конечности становится доступна даже самая мелкая моторика.
“Интерфейс коренным образом меняет то, как мы взаимодействуем с технологией. Объединив живые клетки человека с биоэлектронными материалами, мы создали систему, которая может общаться с мозгом более естественным и интуитивным способом”, - говорит соавтор исследования Эми Рочфорд
Конечно, ученым еще предстоит решить проблему обратной связи - нужно добиться, чтобы роботизированные конечности обеспечивали пользователю ощущение осязания. Но даже без тактильного отклика, идея того, что протез может не уступать по подвижности живой конечности, выглядит потрясающе.
Второй важнейший аспект новой технологии - ее компактность. Сам имплант, вступающий в контакт с нервом, является крошечным, а его установка требует минимального инвазивного вмешательства.
Методика требует дальнейшего исследования и обширного тестирования прежде чем будет испытана на людях. Но уже сейчас ясно, что это важнейший прорыв, который открывает путь к потрясающим технологиям будущего.
Исследование опубликовано журнале Science Advances.
