211service.com
Verlamde ratten lopen weer
Ratten die verlamd zijn door een dwarslaesie kunnen leren hun achterpoten weer onder controle te krijgen als ze worden getraind om in een revalidatieapparaat te lopen terwijl hun onderrug elektrisch en chemisch wordt gestimuleerd. Een klinische proef met een soortgelijk systeem dat voor mensen is gebouwd, zou in de komende jaren kunnen beginnen.
Onderzoekers in Zwitserland gebruikten elektrische en chemische stimulatie om neuronen in het onderste ruggenmerg van verlamde ratten te prikkelen, terwijl de knaagdieren werden opgehangen aan een vest dat hen dwong te lopen met alleen hun achterpoten. De rehabilitatieprocedure leidde tot de creatie van nieuwe neuronale verbindingen tussen de bewegingsgerichte motorische cortex van de hersenen en de onderste wervelkolom, rapporteren de onderzoekers in Wetenschap.
Eerder onderzoek heeft aangetoond dat het mogelijk is om sommige effecten van een dwarslaesie ongedaan te maken door de normale verbinding tussen de hersenen en de benen te omzeilen, die door de verwonding wordt verbroken. Wandelen kan bijvoorbeeld worden geactiveerd bij ratten met ruggenmergletsel als hun wervelkolom wordt gestimuleerd. Maar tot nu toe was een dergelijke beweging onvrijwillig. Dit nieuwe onderzoek toont aan dat vergelijkbare ratten met een gespecialiseerd trainingssysteem vrijwillige controle over hun benen kunnen krijgen.
Een vorig jaar gepubliceerd rapport toonde het principe aan dat een dergelijke benadering bij patiënten kan werken, zegt Gregoire Courtine , senior auteur van de rattenstudie. In mei 2011 zou de 25-jarige Rob Summers, die bij een auto-ongeluk vanaf zijn borst naar beneden was verlamd, enkele minuten alleen staan met elektrische stimulatie van zijn ruggenmerg. Hij kan ook herhaalde stappen op een loopband nemen met de stimulatie, die gebieden in het onderste ruggenmerg activeert die het lopen regelen. De voortbeweging die het gevolg is van dit soort stimulatie is automatisch en onvrijwillig en er wordt aangenomen dat er geen directe communicatie van de hersenen nodig is.
Courtine had eerder aangetoond dat dit type automatisch lopen looppatronen kon initiëren in de achterpoten van ratten met een dwarslaesie die ruggengraat werden gestimuleerd terwijl ze op een loopband zaten. Omdat de wervelkolom het looppatroon kon sturen, vermoedde Courtine dat er alleen een zwak signaal van de hersenen nodig zou zijn om de dieren vrijwillig te laten lopen.
Om te testen of de ratten hersengestuurde controle over deze bewegingen konden herstellen, ontwikkelden hij en zijn team een robotondersteuningssysteem dat ratten in een tweevoetige staande houding ophangt en helpt bij het evenwicht, maar geen voorwaartse impuls geeft. Tien verlamde ratten werden dagelijks getraind om met stimulatie te lopen, zowel op een loopband als in het robotsysteem. Na twee tot drie weken zetten de ratten hun eerste vrijwillige stappen. Dit is de eerste keer dat we vrijwillige controle van de voortbeweging hebben gezien bij een dier met [een verwonding] waardoor het normaal gesproken volledig verlamd raakt, zegt Courtine.
De sleutel tot dit herstel was de actieve rol van de hersenen van de rat om vooruit te willen. De elektrische en chemische stimulatie brengt het zenuwstelsel van de rat in een staat waarin lopen mogelijk is, zegt co-auteur Janine Heutschi, en dan moet je de rat ertoe brengen te willen lopen. De wens van de ratten om te lopen werd gemotiveerd door chocoladebeloningen en vocale aanmoediging van de onderzoekers (die je kunt horen in deze video van het Zwitserse Federale Instituut voor Technologie). Het robotophangsysteem dwingt de knaagdieren om hun slapende achterpoten te gebruiken en zichzelf niet naar voren te slepen met hun nog functionele voorpoten.
De combinatie van elektrochemische stimulatie en actieve training, waaronder het lopen op trappen en rond obstakels, resulteerde in nieuwe neuronale verbindingen die de plaats van de verwonding omzeilden. We promootten uitgebreide hermodellering van de neuronale verbindingen, niet alleen op de plaats van de verwonding, maar in het hele centrale zenuwstelsel, inclusief in de hersenen, zegt Courtine. Wat het meest verrassend was, zegt hij, was de viervoudige toename van neuronale projecties die vanuit de motorische cortex naar de hersenen werden gestuurd, wat zorgt voor bewuste controle over bewegingen. De motorische cortex wordt de maestro van het reorganisatieproces.
De bewuste intentie van de ratten was ook nodig voor de verbouwing. Het zenuwstelsel van ratten die de elektrochemische stimulatie ontvingen maar alleen op loopbanden trainden, vertoonden geen anatomische veranderingen. Je moet een input van de hersenen opnemen, zegt Heutschi. Het werkt niet als de rat op een loopband staat; je moet ze dwingen om de hersenen te gebruiken om hun achterpoten te controleren.
De klinische betekenis van de bevindingen is volgens de neurowetenschapper van Rutgers University onduidelijk wijze jonge , vanwege de ongebruikelijke chirurgische verwonding van de experimentele ratten (twee sneden aan elke kant van het snoer op verschillende hoogtes). Een meer relevante verwonding zou een kneuzing van het ruggenmerg of een blauwe plek zijn geweest, zegt hij.
Andere deskundigen denken echter dat de resultaten veelbelovend zijn voor patiënten met ruggenmergletsel die geen volledige snee door het snoer hebben. Ook al waren alle verbindingen tussen de hersenen en het onderste ruggenmerg verstoord bij de experimentele ratten, er zijn nog enkele vezels over, dus de schoonheid van hun technologie is het gebruik van het robottrainingssysteem om die resterende verbindingen te activeren die de cortex in staat stellen om de ledematen en om vrijwillige beweging terug te krijgen, zegt Zhigang He , een neurowetenschapper aan de Harvard Medical School. Dit robottrainingssysteem maakt dat mogelijk, zegt hij.
Er zijn plannen om een menselijke versie van het trainingssysteem te ontwikkelen en de effecten ervan te testen in klinische proeven in Europa. Onderzoekers van het Zwitserse Federale Instituut voor Technologie en andere Europese instellingen werken ook aan een verbeterde, implanteerbare versie van het elektrische spinale stimulatiesysteem dat volgend jaar zijn weg naar de mens kan vinden.