Людям с параличом или ампутацией нейропротезные системы, искусственно стимулирующие сокращение мышц с помощью электрического тока, могут помочь восстановить функцию конечностей. Однако, несмотря на годы исследований, этот тип протезов не получил широкого распространения из-за быстрого наступления мышечного утомления и плохого контроля. Теперь исследователи из Массачусетского технологического института разработали новый подход, который, как они надеются, обеспечит лучший контроль мышц при меньшей утомляемости. Подход, основанный на оптогенетике: вместо электричества для стимуляции мышц использовали свет.
В исследовании на мышах исследователи продемонстрировали, что этот метод обеспечивает более точный контроль мышц, а также резкое снижение усталости. Хотя в настоящее время этот метод не применим к людям, он может произвести революцию в области протезирования и помочь людям с нарушенной функцией конечностей.
Оптогенетика: свет во тьме двигательной инвалидности
Идея управления мышцами с помощью света может показаться научной фантастикой, но на самом деле она основана на известном в биологии принципе: оптогенетике. Этот метод заключается в генетической модификации клеток, чтобы заставить их экспрессировать светочувствительные белки, что позволяет контролировать их активность путем воздействия на них световыми импульсами. До сих пор оптогенетика использовалась в основном изучить работу мозга, но исследователям Массачусетского технологического института хватило интуиции применить его к управлению движением.
Их эксперимент на мышах продемонстрировал, что оптическая стимуляция мышц имеет ряд преимуществ перед традиционной электрической стимуляцией. Прежде всего, он позволяет более тонко и плавно контролировать силу сокращения, аналогично естественному человеческому телу. В то время как электрическая стимуляция имеет тенденцию активировать всю мышцу сразу, вызывая внезапные и неточные движения, свет позволяет постепенно «задействовать» мышечные волокна, получая более плавную реакцию, пропорциональную интенсивности стимула.
Но настоящая сила оптогенетики — в устойчивости к утомлению. Электрически стимулированные мышцы быстро истощаются, в течение 5–10 минут, что затрудняет длительное использование протезов. Однако со светом Исследователи смогли поддерживать стимуляцию более часа, прежде чем заметили признаки усталости. Результат, открывающий захватывающие перспективы восстановления двигательных функций у людей с ограниченными возможностями.
От теории к практике: проблемы, с которыми придется столкнуться
Конечно, переход от мышей к человеку не является ни очевидным, ни немедленным. Основная задача — найти безопасный и эффективный способ введения светочувствительных белков в мышцы человека. Несколько лет назад в лаборатории Хью Херр (автор исследования что я ссылаюсь на вас здесь) сообщили, что у крыс эти белки могут вызвать иммунный ответ, который дезактивирует их и может привести к атрофии мышц и гибели клеток. Существенное препятствие, над которым усердно работают исследователи.
«Основная цель Центра бионики К. Лизы Янг — решить эту проблему», — говорит Герр. «В настоящее время предпринимаются многосторонние усилия по разработке новых светочувствительных белков и стратегий их доставки, не вызывая иммунного ответа».
Другие шаги, необходимые для охвата пациентов оптогенетикой? Разработка новых датчиков для измерения силы и длины мышц, а также новых способов имплантации источника света. Это серьезная инженерная задача, но исследователи полны решимости решить ее. В случае успеха они надеются, что их стратегия может принести пользу людям, перенесшим инсульты, ампутации конечностей и травмы спинного мозга, а также другим людям, у которых нарушена способность контролировать свои конечности.
Не подлежит восстановлению: на пути к укреплению человеческого тела?
Значение этого исследования выходит далеко за рамки медицинской области. Если бы оптогенетический метод оказался эффективным и безопасным для людей, он мог бы проложить путь к реальному улучшению двигательных навыков. Представьте себе, что вы можете увеличить силу, скорость и выносливость своих мышц с помощью простой инъекции светочувствительных белков. Или возможность управлять движением роботизированной конечности силой мысли благодаря оптогенетическому интерфейсу «мозг-машина». Сценарии, которые сегодня кажутся научной фантастикой, но завтра могут стать реальностью.
Как всегда, это также поднимает немаловажные этические и социальные вопросы. Кто будет иметь доступ к этим технологиям? Будут ли они зарезервированы только для медицинских целей или же их можно будет использовать и для «развлекательных» целей? Какое влияние они окажут на наше представление о нормальности и инвалидности? И как будут развиваться отношения между биологическим телом и технологиями?
Это открытые вопросы, которые требуют глубокого размышления и расширенного обсуждения. Но одно можно сказать наверняка: исследования Массачусетского технологического института в области оптогенетической стимуляции мышц предлагают нам захватывающий взгляд на будущее протезирования и усовершенствования человека. Будущее, в котором свет может буквально перемещать мир, по одному мускулу за раз.
