Кошки помогли ученым разработать уникальный тренажер для переживших инсульт и травмы мозга

Кошки помогли ученым разработать уникальный тренажер для переживших инсульт и травмы мозга

Фото: Марина ВОЛОСЕВИЧ

ЧЕЛОВЕК И КОШКА

- Все началось еще в советские годы, 20 лет назад: я изучал особенности того, как работают головной и спинной мозг при движении конечностей у кошек, - рассказывает кандидат биологических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории нейробиологии моторного контроля Института проблем передачи информации им. А.А. Харкевича (ИППИ) РАН Виктор Селионов.

- Мы привыкли, что в экспериментах обычно участвуют мыши, крысы, собаки, наконец - почему вдруг кошки?

- Как показали исследования, именно у кошек архитектоника мозга – то есть общий план строения коры мозга, организации нейронных связей, распределения сосудов и т.д. максимально близки к человеческим (ближе только у приматов).

В ТЕМУ

Генератор для шагов

В начале 20 века английский психофизиолог, лауреат Нобелевской премии Чарльз Шеррингтон в ходе экспериментов выяснил, что животные, у которых «отключен» головной мозг, способны совершать движения. Оказалось, что нейронные сети в спинном мозге работают как генератор: самостоятельно создают определенную частоту – ритм движений (локомоторный ритм).

- В то же время, поскольку головной мозг это наш главный орган управления, мы предположили, что в нем могут находиться участки, активация которых запускает работу «генераторов», расположенных в спинном мозге, и поддерживает такую работу во время движения, - поясняет Виктор Селионов. – Чтобы выяснить расположение этих ключевых участков, кошкам вводились электроды в различные области мозга.

В ходе долгих исследований были обнаружены те самые «спусковые крючки», при воздействии на которые электрическим током удавалось запускать автоматические движения: при электростимуляции животное начинало идти, а затем и бежать по беговой дорожке. Были также обнаружены участки мозга, активация которых изменяла тонус мышц: он повышался либо понижался (в зависимости от стимулируемой области). В первом случае кошка замедляла скорость ходьбы до полной остановки, во втором, напротив, ускорялась до бега. Это дало возможность извне управлять двигательной активностью животных.

«Эти данные в дальнейшем были успешно экстраполированы на человека - у людей также обнаружились сходные механизмы регуляции движений», - отмечает Виктор Селионов. Так была доказана автоматическая природа шагания человека.

Полученные знания оказались очень важными для восстановления подвижности у людей после инсульта, ряда других болезней и травм головного и спинного мозга, подчеркивают ученые. У таких пациентов мышцы становятся либо слишком слабыми, не позволяющими двигаться, либо, наоборот, напряжены настолько, что движение опять же невозможно. В дальнейших планах исследователей – использовать разработки для помощи страдающим болезнью Паркинсона.

ВОССТАНОВИТЬ ЛЕТЯЩУЮ ПОХОДКУ

- Сама идея создать лечебно-реабилитационный тренажер для людей родилась у Виктора Евгеньевича Беленького, который работал врачом-реабилитологом в 10-й московской городской клинической больнице, - продолжает кандидат биологических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории нейробиологии моторного контроля ИППИ РАН Ирина Солопова. – Изначально он применял метод функциональной электрической стимуляции мышц для больных после инсульта с сильными нарушениями походки, а также для тех, кто страдает коксартрозом (поражением тазобедренных суставов. – Авт.).

Пациентам при помощи специального прибора и электродов, надеваемых на ноги, мышцы стимулировались в нужную фазу их естественного сокращения - когда это требуется при нормальном шагании. За счет этого формировался стереотип правильной походки. Потом метод апробировали в Центральной клинической больнице Российской академии наук (ЦКБ РАН), где с помощью такой электростимуляции и механотерапии обучали правильно ходить пациентов после эндопротезирования тазобедренного сустава – чтобы не перегружать здоровую ногу и делать походку симметричной.

«После доработки и усовершенствования в конце концов появился уникальный 16-канальный прибор – он позволяет стимулировать наибольшее количество мышц среди всех аналогичных отечественных приборов, известных на сегодня», - с гордостью говорит Ирина.

Между тем для больных с инсультом оставалась серьезная преграда. Известно, что у таких пациентов самая высокая пластичность мозга, то есть способность его восстановления, сохраняется в первое время после приступа. Поэтому начинать двигательную реабилитацию нужно как можно раньше. Однако в это время люди, перенесшие сосудистую катастрофу, как правило, еще не могут вставать с постели. «Значит, нужен аппарат для двигательной терапии в положении лежа», - решил Виктор Беленький, и вместе со старшим научным сотрудником лаборатории № 9 ИППИ РАН Александром Гришиным они приступили к разработке.

КАК УВЕЛИЧИТЬ СИЛУ МЫШЦ

На создание, клинические испытания, доработку и сертификацию уникального аппарата «БИОКИН-ЭС» ушло более 10 лет. Сегодня этот реабилитационный тренажер выглядит как кровать, которая поднимается на угол до 30%, постепенно увеличивая нагрузку на ноги и готовя пациента к переходу в вертикальное положение. Во время процедуры на руки и ноги надеваются манжеты с электродами, через которые пропускается ток для стимуляции мышц в нужные фазы - сокращение либо расслабление. Одновременно работают внешние приводы, которые помогают конечностям двигаться, как при естественной ходьбе (см. видео).

- Для регулирования силы и частоты тока, нагрузки на руки и ноги при движении используется специальное компьютерное программное обеспечение, разработанное нашими учеными, - поясняет Ирина Солопова. – Весь сеанс – включая настройку оборудования под конкретного пациента в конкретный день, наложение электродов и подбор параметров стимуляции, длится около часа. В клинических испытаниях, которые мы проводили в том числе в ЦКБ РАН, 83-й, 15-й горбольницах Москвы, людям делали по 10 процедур. За это время в 90% случаев наступали ощутимые улучшения: повышалась сила и чувствительность мышц, в том числе у больных с грубым и выраженным парезом (состояние, близкое к полному параличу. – Авт.). Люди начинали самостоятельно двигать конечностями, сидеть, вставать.

На создание, клинические испытания, доработку и сертификацию уникального аппарата «БИОКИН-ЭС» ушло более 10 лет.

Если бы удалось продолжить реабилитацию на аппарате дольше, эффект явно был бы еще сильнее, но, увы, сейчас этого не позволяют российские стандарты госпитализации по ОМС. «Сегодня человека кладут в больницу по полису ОМС максимум на 21 день, то есть 3 недели, - напоминает Ирина Солопова. – В первую неделю делаются необходимые анализы, проясняется состояние, поэтому реабилитацию удается начать, как правило, не раньше, чем на 7-й день, и на все про все остается 2 недели». В то время как в большинстве стран мира официально признано, что для первичной реабилитации больных после инсульта требуется как минимум 3 - 4 недели, отмечают эксперты.

ЛЮДИ – СУЩЕСТВА ЧЕТВЕРОНОГИЕ

Проводя исследования для разработки и усовершенствования уникальной кровати-тренажера, ученые совершили несколько удивительных открытий, которые могут быть полезны не только больным и их близким, но и любому из нас.

- В первых прототипах кровати мы начинали с того, что человек лежит, и у него отрабатываются движения ног, - рассказывает Ирина Солопова. – Но была голубая мечта: восстанавливать и руки.

«Как-то я лечил с помощью нашего аппарата заместителя министра одного из ведомств, - вспоминает Виктор Селионов. - После реабилитации он встал и пошел, а рука как висела плетью после инсульта, так и осталась».

- То есть нужно было что-то придумать с руками, - продолжает Ирина, - и мы стали изучать, как работают нейронные связи между верхними и нижними конечностями – как ноги влияют на руки и наоборот.

В ходе экспериментов удалось доказать, что человек… существо четвероногое! «То есть наше нервное управление движениями конечностей во многом такое же, как у кошек или собак: движения рук и ног тесно взаимосвязаны, - поясняет Селионов. – По сути это нейронный атавизм, сохранившийся в ходе эволюции, и сейчас мы используем его для реабилитации». В частности, подтвердилось, что если при восстановлении пациентов применяется грамотная схема одновременного движения руками и ногами, то есть работают все четыре конечности, то степень улучшений резко повышается.

КАЧАЕМ РУКИ, ЧТОБЫ УКРЕПИТЬ НОГИ

Также исследования показали, что движение рук очень эффективно влияет на восстановление подвижности ног. «Когда ко мне попадают больные-спинальники с обездвиженными ногами, я заставляю их сильно, с большой нагрузкой двигать руками», - говорит Виктор Селионов. Кстати, этот прием могут использовать и здоровые люди, которые, скажем, занимаются спортом: движения, развивающие руки, одновременно помогают поддерживать в тонусе мышцы ног.

- Когда мы исследовали влияние движения одной руки на другую, то между ними тоже обнаружилась крепкая взаимосвязь, проходящая через спинной мозг: если я двигаю одной рукой, это сильно влияет на другую, в том числе помогает в ее восстановлении, - добавляет Ирина Солопова.

И еще одним серьезным открытием стала связь между ногами и движением кистей рук: в «БИОКИН-ЭС» добавили функцию сгибания и разгибания лучезапястных суставов рук (см. видео), поскольку предполагается, что благодаря этому ноги будут восстанавливаться еще быстрее и эффективнее.

ВОЗРОЖДЕНИЕ МОЗГА

- Чтобы согнуть руку, я должен активировать определенный отдел коры головного мозга, - показывает мне Виктор Селионов. - В то же время есть обратная связь: если я буду сгибать или разгибать руку – либо это будет делать тренажер для больных с обездвиженными конечностями – то в мозге также активируется тот же отдел моторной коры. Таким образом, за счет пассивных движений, которые пациентов заставляет делать мотор, мы активируем соответствующие области головного мозга и проторяем пути, нарушенные при инсульте. При этом восстанавливаются разрушенные связи между нейронами или создаются новые.

В итоге у людей, пострадавших от инсульта или травм, не только возвращается подвижность рук и ног, но и возрождается поврежденный мозг.

В последней модификации аппарата ученые и конструкторы добавили также экран виртуальной реальности: во время процедуры пациенту надевают 3-D очки, и он видит на мониторе свой аватар. «Зрительное наблюдение за движением тоже активирует часть моторной коры головного мозга, поэтому эффект восстановления увеличивается еще сильнее», - поясняет Селионов. В то же время, глядя на аватар, то есть на себя со стороны, человеку легче корректировать свои движения, управлять ими.

ВОПРОС-РЕБРОМ

Кому доступна реабилитация?

- У нас есть опытные образцы, которые использовались для клинических испытаний в нескольких городских больницах Москвы. На них успешно прошли реабилитацию несколько сотен человек, - говорит Ирина Солопова.

Разработка сертифицирована, данные об эффективности метода реабилитации исследователи опубликовали в авторитетных научных журналах (международном Neurorehabilitation и российском научно-практическом издании «Журнал неврологии и психиатрии им. С. С. Корсакова»).

На сегодня нужны средства, чтобы выпускать уникальный аппарат в промышленном масштабе. Эксперты отмечают, что на мировом рынке оборудование похожего назначения, но с меньшим количеством функций, стоит в среднем от 16 до 30 млн рублей. Предполагаемая цена разработки российских нейробиологов – около 6 млн руб.

- Сейчас мы подаем заявки на всевозможные гранты, пытаемся найти деньги на производство нашего аппарата, но пока, к сожалению, безрезультатно, - с горечью рассказали ученые «КП».

Хочется надеяться, что государственные инстанции, в том числе отвечающие за импортозамещение и за реабилитацию больных, обратят внимание на уникальную отечественную разработку, которая успешно прошла клинические испытания и готова к применению для спасения обездвиженных людей.