Sparaliżowany szczur, który chodził

Uraz rdzenia kręgowego może zerwać komunikację między mózgiem a ciałem, prowadząc do paraliżu. Prosto ze swojego laboratorium Grégoire Courtine przedstawia nową metodę, łączącą terapię farmakologiczną, stymulację elektryczną i użycie robota. Może to ponownie pobudzić ścieżki nerwowe i pomóc ciału ponownie nauczyć się samodzielnego poruszania. Zobacz, jak to działa i jak sparaliżowany szczur jest w stanie biegać i poruszać się po schodach.

Jestem neurologiem,

powiązanym z fizyką i medycyną.

Moje laboratorium w Szwajcarskim
Krajowym Instytucie Technicznym

koncentruje się na urazach
rdzenia kręgowego,

które dotykają ponad 50 tysięcy ludzi

na świecie każdego roku,

z dramatycznymi konsekwencjami dla osób,

których życie dosłownie się rozpadło

w ciągu kilku sekund.

Moim zdaniem, człowiek ze stali,

Christopher Reeve,

uświadomił nam udręki

ludzi z uszkodzonym rdzeniem kręgowym.

Tak się zaczęła moja osobista podróż

w tej dziedzinie badań,

od współpracy z Fundacją
Christophera i Dany Reeve.

Pamiętam decydujący moment.

Kończyłem właśnie normalny dzień pracy

w fundacji.

Chris zwrócił się do nas,
naukowców i ekspertów:

"Musicie być bardziej praktyczni.

Opuszczając jutro laboratorium,

zatrzymajcie się
przy centrum rehabilitacyjnym

i popatrzcie na kalekich ludzi,

walczących o każdy krok,

zmagających się z utrzymaniem tułowia.

Kiedy pójdziecie do domu

pomyślcie, co zmienić w badaniach

następnego dnia, aby poprawić im życie".

Te słowa utkwiły mi w pamięci.

Było to ponad 10 lat temu,

lecz od tamtej pory
przyjęliśmy w laboratorium

pragmatyczne podejście do leczenia

kontuzji rdzenia kręgowego.

Pierwszym krokiem było opracowanie

nowego wzorca kontuzji rdzenia,

który odpowiadałby
kluczowym cechom obrażeń ludzkich,

umożliwiając jednocześnie
kontrolę warunków badawczych.

W tym celu dokonaliśmy dwóch hemisekcji

po przeciwnych stronach ciała.

Zupełnie zakłóciły komunikację

między mózgiem i rdzeniem kręgowym,

co doprowadziło do całkowitego

i trwałego paraliżu nogi.

Wiadomo, że po większości urazów

zostaje pasmo
nienaruszonej tkanki nerwowej,

umożliwiające powrót do zdrowia.

Jak tego dokonać?

Podejście klasyczne

obejmuje zastosowanie zabiegu,

który pobudza wzrost uszkodzonych włókien

do wyjściowej wielkości.

Chociaż to klucz do leczenia,

wydaje się niezwykle skomplikowany.

By osiągnąć szybki efekt kliniczny,

było oczywiste,

że muszę inaczej podejść do problemu.

Otóż ponad stuletnie badania

fizjologii rdzenia kręgowego,

począwszy od noblisty Sherringtona,

wykazały, że rdzeń kręgowy

po większości urazów

zawiera wszystkie połączenia nerwowe

niezbędne do koordynacji ruchu.

Jednak przez zakłócenia przekazu z mózgu

połączenia te są nieczynne, jakby uśpione.

Mój pomysł: obudźmy tę sieć.

Byłem wtedy na stażu
postdoktoranckim w Los Angeles,

po otrzymaniu doktoratu we Francji,

gdzie niezależne myślenie

niekoniecznie jest promowane.

(Śmiech)

Obawiałem się rozmowy z nowym szefem,

lecz zebrałem się na odwagę.

Zapukałem do mojego doradcy,

Reggiego Edgertona,
by podzielić się pomysłem.

Wysłuchał mnie z uwagą

i odparł z szerokim uśmiechem:

"Czemu nie spróbujesz?".

Słowo daję,

to był ważny punkt mojej kariery,

gdy zrozumiałem, że doskonały lider

wierzy w młodych ludzi i nowe pomysły.

Oto mój pomysł.

Użyję prostej przenośni,

by to wyjaśnić.

Wyobraźcie sobie, że układ ruchu to auto.

Silnik to rdzeń kręgowy.

Napęd jest uszkodzony. Silnik nie działa.

Jak ponownie włączyć silnik?

Po pierwsze, musimy dostarczyć paliwa,

po drugie, nacisnąć pedał gazu,

po trzecie, kierować autem.

Okazało się, że znane są ścieżki nerwowe,

biegnące z mózgu, które pełnią tę funkcję

podczas ruchu.

Chciałem zastąpić
brakujące impulsy wejściowe,

by wysłać rdzeniowi kręgowemu sygnał,

jaki wysłałby mózg
przy inicjacji chodzenia.

Przejrzałem 20 lat publikacji
badań neurologicznych,

po pierwsze, by zastąpić brakujące paliwo

czynnikami farmakologicznymi,

które przygotują do odpalenia
neurony w rdzeniu,

po drugie, by naśladować pedał gazu

za pomocą elektrycznej stymulacji.

Wyobraźcie sobie elektrodę

wszczepioną od tyłu w rdzeń kręgowy,

by zapewnić bezbolesną stymulację.

Po wielu latach w końcu stworzyliśmy

elektrochemiczną neuroprotezę,

która przenosi układ nerwowy rdzenia

z uśpienia do stanu
wysokiej funkcjonalności.

Sparaliżowany szczur natychmiast wstał.

Gdy pas bieżni wystartował,

zwierzę wykazywało
skoordynowane ruchy kończyny,

bez udziału mózgu.

To, co nazywam "mózgiem rdzeniowym",

kognitywnie przetwarza
informacje sensoryczne,

pochodzące z poruszającej się kończyny

i decyduje, jak aktywować mięsień,

aby wstać, chodzić, biegać,

a nawet by podczas sprintu

nagle stanąć,

gdy zatrzymuje się bieżnia.

To było cudowne.

Całkowicie zafascynował mnie ruch

bez udziału mózgu,

ale jednocześnie poczułem frustrację.

Ruch w ogóle nie podlegał woli.

Zwierzę nie kontrolowało kończyn.

Brakowało systemu kierowania.

Wówczas stało się jasne,

że musimy zrezygnować

z modelu klasycznej rehabilitacji,

czyli bieżni,

i stworzyć warunki, które pobudzą mózg,

by przejął świadomą kontrolę nad kończyną.

Z tą myślą stworzyliśmy całkiem nowy

system robotyczny, by zapewnić szczurowi

swobodne ruchy w przestrzeni.

To naprawdę super.

Wyobraźcie sobie 0,2 kg szczura,

podłączonego do 200 kg robota,

którego szczur nie czuje.

Robot jest przezroczysty.

Jakbyście trzymali małe dziecko

podczas pierwszych niepewnych kroków.

Podsumujmy: szczur doznał

paraliżującego urazu rdzenia.

Elektrochemiczna neuroproteza umożliwiła

wysoce funkcjonalny stan
układu ruchowego w rdzeniu.

Robot zapewnił bezpieczne środowisko,

pozwalające szczurowi

użyć sparaliżowanej kończyny.

Dla zachęty użyliśmy

najsilniej działającego medykamentu:

doskonałej szwajcarskiej czekolady.

(Śmiech)

Pierwsze wyniki

bardzo nas zawiodły.

Mojemu najlepszemu fizjoterapeucie

nie udało się zachęcić szczura

do zrobienia choćby kroku,

choć pięć minut wcześniej

szczur pięknie kroczył po bieżni.

Czuliśmy zawód,

ale niezbędną cechą naukowca

jest wytrwałość.

Uparliśmy się. Zmieniliśmy wzorzec

i po kilku miesiącach treningu

sparaliżowany szczur mógł wstać

i gdy chciał,

rozpoczynał pełen zakres ruchów,

by biec po nagrodę.

To pierwsza kuracja w historii

prowadząca do świadomego
ruchu kończyną

po eksperymentalnym uszkodzeniu rdzenia,

który doprowadził do całkowitego
i trwałego paraliżu.

W zasadzie ...

(Brawa)

Dziękuję.

Szczur nie tylko mógł inicjować

i kontynuować ruch na podłożu,

lecz mógł korygować ruch kończyny,

np. by oprzeć się grawitacji

wchodząc po schodach.

To była niezwykle

emocjonująca chwila w laboratorium.

10 lat ciężkiej pracy

doprowadziło nas do celu.

Pozostaje pytanie: jak?

Jak to możliwe?

Nasze odkrycie

było całkowicie niespodziewane.

Nowatorski wzorzec treningu

pobudził mózg do tworzenia
nowych połączeń,

obwodów przekaźnikowych,

które przekazują informację z mózgu,

omijając uszkodzenie,

i odtwarzają kontrolę rdzenia
nad układem ruchu

poniżej urazu.

Na tym przykładzie oznaczyliśmy

biegnące z mózgu włókna na czerwono.

Niebieski neuron łączy się
z centrum ruchowym.

Ta konstelacja

połączeń synaptycznych oznacza,

że mózg odtworzył połączenie
z centrum ruchowym,

korzystając z zaledwie
jednego interneuronu.

Odtwarzanie nie ograniczyło się

do uszkodzonego miejsca.

Zaszło w całym
centralnym systemie nerwowym,

łącznie z pniem mózgu,

gdzie zaobserwowaliśmy 300% wzrost

gęstości włókien wychodzących z mózgu.

Nie zamierzaliśmy naprawić
rdzenia kręgowego,

jednak udało nam się doprowadzić

do najbardziej złożonej
rekonstrukcji aksonów,

jaką dotąd zaobserwowano

w centralnym systemie nerwowym

dorosłego ssaka po urazie.

Za tym odkryciem

kryje się ważna informacja.

Są to rezultaty pracy zespołu

młodych, utalentowanych ludzi:

fizykoterapeutów, neurobiologów,
neurochirurgów,

wszelkich inżynierów,

którzy wspólnie osiągnęli to,

co dla pojedynczej osoby
byłoby niemożliwe.

To zespół interdyscyplinarny.

Współpracowali tak blisko,

że nastąpiła pozioma wymiana DNA.

Tworzymy nowe pokolenie

lekarzy i inżynierów,

zdolnych przenosić odkrycia

z laboratorium do pacjenta.

A ja?

Zaledwie złożyłem elementy
tej pięknej symfonii.

Zastanawiacie się zapewne,

czy to pomoże kalekim ludziom?

Ja też, każdego dnia.

Wciąż za mało wiemy.

To nie jest lek na urazy
rdzenia kręgowego,

ale chyba może doprowadzić

do interwencji, która poprawi leczenie

i jakość ludzkiego życia.

Chciałbym, żebyście wszyscy

pomarzyli przez chwilę ze mną.

Wyobraźcie sobie osobę
cierpiącą na uraz rdzenia.

Po kilku tygodniach leczenia

wszczepiamy zaprogramowaną pompkę,

by dostarczyć koktajlu
zindywidualizowanych leków

wprost do rdzenia kręgowego.

Jednocześnie wszczepimy układ elektrod,

rodzaj drugiej skóry,

pokrywającej obszar rdzenia,
do kontroli ruchy kończyny.

Elektrody podłączy się
do generatora impulsów elektrycznych,

które dostarczą stymulacji

odpowiedniej dla osobistych potrzeb.

Oto opis zindywidualizowanej
neuroprotezy elektrochemicznej,

która umożliwi poruszanie

podczas treningu z nowo zaprojektowanym
systemem wspierającym.

Mam nadzieję,
że po kilku miesiącach treningu,

nastąpi wystarczające odtworzenie
szczątkowego połączenia,

żeby móc poruszać się bez robota,

a może nawet bez leków i stymulacji.

Mam nadzieję, że zdołamy stworzyć

zindywidualizowane warunki,

by pobudzić plastyczność mózgu

i rdzenia kręgowego.

Może uda się zastosować

tę radykalną koncepcję
do innych zaburzeń neurologicznych,

co nazywam
"zindywidualizowaną neuroprotetyką",

gdzie dzięki odczuwaniu i stymulacji
interfejsów nerwowych,

wszczepiłem implant do systemu nerwowego,

do mózgu, do rdzenia,

nawet do nerwów obwodowych

zależnie od upośledzenia pacjenta.

Nie dla zastąpienia utraconej funkcji,

lecz by pomóc mózgowi
w samodzielnej naprawie.

Mam nadzieję,
że pobudziłem waszą wyobraźnię,

bo jestem przekonany,

że ta rewolucja się zdarzy,

pytanie tylko kiedy.

Pamiętajcie, że jesteśmy tak wielcy

jak nasza wyobraźnia i marzenia.

Dziękuję.

(Brawa)