Нейропротезы активно используются у людей с параличом или с ампутированными конечностями. Они стимулируют мышечные сокращения с помощью электрических импульсов и помогают восстановить движения конечностей, но данный вид нейропротезов имеет недостаток, который заключается в том, что происходит быстро утомление мышц и ухудшение контроля над движением.
Ученые из MIT разработали новую методику стимуляции мышц, где вместо электричества используется оптогенетика. Как показали эксперименты на животных, оптогенетический метод позволяет резко снизить утомляемость мышц и улучшить точность контроля над мышцами.
Оптогенетика — это метод, который основан на генной инженерии клеток для экспрессии фоточувствительных белков, что позволяет контролировать активность этих клеток с помощью воздействия света. Методика, разработанная командой ученых из Массачусетского университета, пока не применима на человеке. Но исследователи проводят разработку способов эффективной и безопасной доставки светочувствительных белков в ткани человека.
Результаты исследования, проведенного доктором Герром и его коллегами, были опубликованы в Science Robotics.
В течение многих лет ученые изучали эффективность управления мышцами тела с помощью функциональной электрической стимуляции (ФЭС). При этом методе необходима имплантация электродов, которые стимулируют нервы и вызывают сокращение мышц. Но такая стимуляция приводила к активации всей мышцы одновременно, а такое не происходит в человеческом теле.
Избыточная активация приводит не только к нарушению точного контроля над мышцами, но и к быстрому утомлению мышц (в течение 5-10 минут).
Команда ученых MIT решила выяснить, насколько возможно контролировать сокращение мышц не с помощью электродов, а используя оптогенетику.
На животных моделях было проведено сравнение эффективности традиционной ФЭС и оптогенетической методики. Для оптогенетических исследований были использованы генетически модифицированные мыши, у которых была возможна экспрессия фоточувствительного белка (каналродопсин-2). Ученые имплантировали небольшой источник света рядом с большеберцовым нервом, который управляет мышцами голени.
Ученые провели измерение мышечной силы по мере увеличения интенсивности световой стимуляции и обнаружили, что происходит устойчивое и постепенное увеличение сокращения мышц.
На основе данных эксперимента ученые создали математическую модель оптогенетического контроля мышц. Эта модель дала возможность ученым разработать контроллер с обратной связью. С помощью этого контроллера удалось проводить стимуляцию мышц в течение часа, без развития усталости, в то время как при использовании ФЭС стимуляцию можно проводить не более 15 минут.
Одной из задач, стоящих перед учеными, является возможность безопасной доставки светочувствительных белков в ткани человека. Кроме того, ученые работают над созданием датчиков для измерения силы и длины мышц, а также над новыми способами имплантации источника света. Ученые надеются, что в будущем методика стимуляции светом позволит помочь людям, перенесшим инсульты, ампутации конечностей и травмы спинного мозга, а также пациентам с нарушенным контролем над конечностями.
