3D model koji su razvili neuronaučnici Univerziteta Zapadna Virdžinija pokazuje kako implantabilni stimulatori – vrsta koja se koristi za lečenje hroničnog bola – mogu ciljati neurone koji kontrolišu specifične mišiće kako bi pružili rehabilitaciju za ljude sa neurološkim poremećajima kao što su moždani udar i povrede kičmene moždine.
Studija, uključujući model, objavljena je Communications Biology.
Uređaj, implantiran na ili blizu kičmene moždine, funkcioniše tako što isporučuje električni signal kroz tanku žicu. Za lečenje paralize, stimulacija cilja određene delove kičmene moždine kako bi se obnovila funkcija mišića i kretanje. Međutim, efikasnost uređaja je ograničena zbog nedovoljnog razumevanja gde se motoneuroni koji se povezuju sa određenim mišićima nalaze unutar kičmene moždine.
„Ako zaista želimo da maksimiziramo korisnost ovih implantata, želimo da budemo u mogućnosti da izaberemo specifične motoneurone koji bi aktivirali određene mišiće i pomogli u kretanju na pravi način i u pravo vreme“, rekla je Valerija Gricenko, vanredni profesor u Medicinski fakultet VVU, odeljenja za ljudske performanse—fizikalnu terapiju, neuronauku i Rokfelerov institut za neuronauku. „Naučnici žele da koriste model kako bi otkrili gde da implantiraju ovaj sistem.
Gricenko planira da predvodi tim u izgradnji sofisticiranijih modela neuromišićnog sistema.
Uz dalje studije i testiranje, istraživači se nadaju da će steći bolje razumevanje u kojoj meri ovi uređaji mogu poboljšati funkciju mišića.
Da bi sproveli studiju, istraživači su prvo napravili 3D model lokacija motoneurona u kičmenoj moždini makaka – majmuna iz Starog sveta i uporedili ga sa trenutnim saznanjima o ljudskoj kičmenoj moždini. Takođe su kreirali 3D modele mišićno-skeletne anatomije makaka i gornjeg desnog ekstremiteta čoveka i uporedili ih.
„Gledali smo na razlike i promene u dužini mišića u različitim položajima i na ljudskom modelu i na modelu majmuna“, rekla je Rejčel Taitano, doktorant medicine i neuronauke iz Ferfaksa, Virdžinija, i glavni autor studije. „Mišićno-skeletni model majmuna pokazuje da je biomehanika slična ljudima iako vrste imaju razlike u mišićima koje koriste, mišićima koje imaju i različitim orijentacijama i funkcionalnostima.
Studija pokazuje blisko podudaranje u distribuciji ili dubini motoneurona duž kičmene moždine kod makaka i ljudi. Ovi nalazi će omogućiti naučnicima da steknu preciznost u pružanju lečenja.
„Neki motoneuronski bazeni su dublje unutar kičmene moždine, a drugi su bliže površini“, objasnio je Gricenko. „Ovaj model nam omogućava da pogledamo u dubinu gde bi ovi motoneuroni mogli biti najbliži površini. To je mesto gde biste želeli da stimulišete da potencijalno aktivirate te mišiće.“
Gricenko, koji je služio kao primarni istraživač, objasnio je da „poznavanje kičmene organizacije skupova motoneurona — grupa ćelija koje se povezuju sa jednim mišićem — može otkriti nešto fascinantno. Naš složeni mišićno-skeletni sistem je evoluirao tokom vremena kako bi omogućio širok spektar pokreta vidimo kod svih primata, uključujući i nas ljude. Tim je otkrio da naša kičmena moždina ima ugrađene ‘mape’ koje odražavaju ovu složenu funkciju ima autopilota tačno unutar kičme.“
Drugi kolega na projektu, Sergij Jakovenko, vanredni profesor na Medicinskom fakultetu VVU, odeljenja za fiziologiju vežbanja, neuronauku i RNI, sproveo je slične studije o anatomiji kičmene moždine kod četvoronožnih životinja. Nova otkrića pokazuju koliko je dobro očuvana anatomija kičmene moždine kod životinja i koliko blisko odražava delovanje mišića.
Rezultati primenjene naučne studije koji se mogu koristiti za pacijente u kliničkom okruženju su ono što je Taitano rekla da ju je privuklo projektu.
„Mislim da možemo da dobijemo mnogo informacija iz neinvazivnih studija“, rekao je Taitano, koji je diplomirao biomedicinsko inženjerstvo. „Sada kada možemo da primenimo ove nalaze na milimetarskoj i nanometarskoj skali, možemo da napravimo uređaje da primenimo ono što vidimo u ovakvom modelu.“
Kada je projekat završen, Taitano ovog leta prelazi na deo svog programa sa medicinskom diplomom.
„Rejčelino iskustvo je bilo veoma važno za uspeh studije“, rekao je Gricenko. „Definitivno bih voleo da vidim više ove vrste interdisciplinarne saradnje sa diplomiranim studentima koji rade na projektima sa kolegama sa medicinskih i inženjerskih odeljenja.
Gricenko je rekao da su naučnici na druga dva univerziteta izrazili interesovanje da koriste model kako bi istražili kako se tehnologija stimulacije može poboljšati. Ona takođe planira da sarađuje sa istraživačem primata na drugom univerzitetu kako bi potvrdila nalaze studije na životinjskim modelima.
„Želimo da uradimo test stimulacije mišića na osnovu predviđanja modela i vidimo da li ćemo dobiti očekivane rezultate“, rekla je ona. „Možemo to prvo da pokušamo sa majmunima, a zatim, ako uspe, možemo da pokušamo sa ljudima da dodatno proverimo da li je to dobar model za vođenje ovih operacija.“
