Pretvaranje mišića u motore za pomoć paraliziranima

Što ako bi tehnologija mogla reanimirati dijelove tijela koji su izgubili vezu s mozgom, poput mjehura koji se više ne može prazniti zbog ozljede leđne moždine ili crijeva koja ne mogu gurati hranu naprijed zbog Crohnove bolesti? Što ako bi ova tehnologija također mogla slati osjete poput gladi ili dodira natrag u mozak?

Novo istraživanje MIT-a nudi uvid u tu budućnost. U studiji otvorenog pristupa objavljenoj u časopisu Nature Communications, istraživači predstavljaju novi mioneuralni aktuator (MNA) koji reprogramira žive mišiće u motore otporne na zamor, računalno kontrolirane, koji se mogu implantirati u tijelo kako bi se obnovilo kretanje organa.

„Izgradili smo sučelje koje iskorištava prirodne putove koje koristi živčani sustav kako bismo mogli besprijekorno kontrolirati organe u tijelu, a istovremeno omogućujemo prijenos senzornih povratnih informacija u mozak“, kaže Hugh Herr, glavni autor studije, profesor medijskih umjetnosti i znanosti u MIT Media Labu. Studiju su zajedno vodili Herrov postdoktorand Guillermo Herrera-Arcos i bivši postdoktorand Hyungeun Song.

Prenamjenom postojećih mišića u tijelu, istraživači su razvili prvi "živi" implantat koji koristi preuređene senzorne živce za oživljavanje paraliziranih organa, što bi moglo predstavljati novu vrstu medicine, gdje vlastito tkivo osobe postaje hardver.

Da bi to postigli, istraživači su se morali snalaziti u delikatnoj dinamici unutar živčanog sustava. Aktuator bi se morao povezati sa živčanim sustavom da bi ispravno radio, ali također mora nekako izbjeći kontrolu mozga. „Ne želite da mozak svjesno kontrolira mišićni aktuator jer želite da aktuator automatski kontrolira organ, poput srca“, objašnjava Herrera-Arcos. Uspostavljanje računalno kontroliranog mišića za pomicanje organa moglo bi osigurati automatsko funkcioniranje, a također i zaobići oštećene moždane putove.

Uključivanje motornih neurona u aktuator može pomoći u generiranju pokreta, ali te neurone izravno kontrolira mozak. „Međutim, senzorni neuroni su programirani za primanje, a ne za naređivanje“, objašnjava Song. „Mislili smo da bismo mogli iskoristiti ovu dinamiku i preusmjeriti motorne signale kroz senzorna vlakna, čineći računalo - umjesto mozga - novim komandnim centrom mišića.“

Da bi se to postiglo, senzorni živci morali bi se fluidno spojiti s mišićima, a znanstvenici još nisu utvrdili je li to moguće. Zanimljivo je da su, kada je tim zamijenio motorne živce u mišićima glodavaca senzornim, senzorni živci ponovno inervirali mišiće i formirali funkcionalne sinapse.

Senzorni neuroni ne samo da su omogućili korištenje digitalnog kontrolera, već su i pomogli u suzbijanju umora mišića - povećavajući otpornost na umor u mišićima glodavaca za 260 posto u usporedbi s izvornim mišićima. To je zato što umor mišića uvelike ovisi o promjeru aksona, odnosno izbočina nalik kabelu koje inerviraju mišiće.

Aksoni motornih neurona uvelike se razlikuju po veličini, a kada se motorni živac električno stimulira, najveći aksoni se prvi aktiviraju - brzo iscrpljujući mišić. Međutim, senzorni aksoni su gotovo iste veličine, pa se signal ravnomjernije emitira po mišićnim vlaknima, izbjegavajući umor, objašnjava Herrera-Arcos.

Sve su te elemente kombinirali u biohibridni motor otporan na zamor nazvan mioneuralni aktuator (MNA). Omatanjem aktuatora oko paraliziranog crijeva glodavca, istraživači su ponovno uspostavili pokret stiskanja organa.

Također su uspješno kontrolirali mišiće lista glodavaca u eksperimentu osmišljenom da oponaša rezidualne mišiće kod amputacija donjih udova kod ljudi. Važno je da je MNA sustav prenosio senzorne signale u mozak. „To sugerira da bi naša tehnologija mogla besprijekorno povezati organe s mozgom. Na primjer, mogli bismo natjerati paralizirani želudac da prenosi glad“, objašnjava Song.

Dovođenje njihovog MNA u kliniku zahtijevat će daljnja testiranja na većim životinjskim modelima, a na kraju i na ljudima. Ali ako prođe regulatorne provjere, njihov sustav mogao bi utrti glađi i sigurniji put prema oživljavanju statičnih organa.

Implantacija MNA zahtijevala bi operaciju koja je već uobičajena u klinici, kažu istraživači, a njihov sustav mogao bi biti jednostavniji i sigurniji za implementaciju od mehaničkih uređaja ili transplantacije organa koji unose strani materijal u tijelo.

Tim se nada da bi njihova nova tehnologija mogla poboljšati živote milijuna ljudi koji žive s disfunkcijama organa.