Ученые из Нью-Йоркского университета создали мозговой имплант, который справляется с любым типом боли и быстро облегчает состояние.
Хроническая боль похожа на чудовище из фильмов ужасов, которое подкрадывается к вам. Это непредсказуемо, молча задерживается, а когда ударяет, часто уже поздно приручить. Что еще более дьявольски, наше лучшее оружие против этого — обезболивающее — может со временем усилить боль. И, как печально показывает эпидемия опиоидов, даже обезболивающие — это палка о двух концах.
Пришло время для чего-то нового. На этой неделе группа из Медицинского факультета Нью-Йоркского университета вообще сказала «нет, спасибо» лекарствам. Вместо этого они разработали «нейронный мост», который соединяет две области мозга: одну критическую для обнаружения боли, а другую, которая ослабляет боль при активации.
Мозговой имплантат — потенциальное возможное устройство, вводимое в полость черепа и осуществляющее взаимодействие с головным мозгом человека.
Для мозгового имплантата это особенно важно. По сути, это команда шпионов и спящих агентов. «Шпион» слушает электрическую болтовню в области мозга, которая обрабатывает боль, а также выполняет множество других задач и декодирует ее в режиме реального времени. Как только он обнаруживает электрический сигнал, предполагающий «обнаружена боль», он отправляет информацию «спящему агенту», компьютерному чипу, имплантированному в переднюю часть мозга. Затем чип автоматически запускает световой луч для стимуляции области, активируя нейроны, которые могут подавлять сигналы боли.
Да, это довольно дико.
Красота этого конкретного интерфейса мозг-машина (ИМТ) он активируется только тогда , когда есть боль, а выгорание мозгу все время. То есть конкретно и действенно.
На данный момент устройство протестировано только на крысах. Но это «план» настройки мозга для облегчения боли в будущем, пишут авторы.
«Наши результаты показывают, что этот имплант предлагает эффективную стратегию лечения боли даже в тех случаях, когда симптомы традиционно трудно определить или устранить», — сказал доктор. Цзин Ван и Валентино Д. Б. Мацциа, которые провели исследование.
Замыкая петлю
От Utah Array и BrainGate, OG мозговых имплантатов, до гладкого нейронного интерфейса Neuralink с вшитыми электродными нитями, имплантаты мозга достигли статуса мейнстрима.
Но большинство имеет дело только с одной частью уравнения: распознаванием и декодированием. Это уже титаническая задача, которая позволяет мозгу буквально связываться с компьютером. Обезьяны играют в понг с умом. Парализованные люди, печатающие или просматривающие веб-страницы с помощью мозговых волн.
Сложнее всего связать мозг с самим собой или с другими частями нервной системы. Вместо того, чтобы использовать декодированные сигналы для управления курсором, здесь сигналы управляют другой областью мозга или частью тела.
Например, протезы рук могут быть оснащены электрическими стимуляторами, которые передают ощущение давления, температуры или другие ощущения, перерезая оставшиеся нервы. Затем эти сигналы передаются в мозг, где он декодирует их и отправляет приказы обратно через отдельный набор нервных магистралей, чтобы контролировать движение руки. Другой пример — стимуляторы мозга, которые обнаруживают аномальные электрические схемы, связанные с припадком, и автоматически блокируют участки мозга, чтобы нарушить эти сигналы.
Эти системы идут от одних только ощущений или действий к сложному соединению обоих — отсюда и их название — «системы с обратной связью». Они функционируют аналогично нашему собственному мозгу: регионы, которые получают ввод, обрабатывают данные и передают их в другие соответствующие регионы. Затем эти сигналы запускают результат — осознание, движение или, возможно, изменение ощущений.
Нейронный мост
Вдохновленные предыдущими исследованиями, авторы разработали замкнутую систему обезболивания.
Сработало ли это, было подбрасыванием монеты. По словам исследователей, использование мозговых имплантатов с замкнутым контуром является «весьма сомнительным» при лечении сенсорных расстройств. В отличие от двигательных движений — например, управления курсором — боль очень трудно уловить в мозгу.
Авторы заявили, что сначала им нужно было выбрать «входное плечо для обнаружения сигнала и выходное плечо для лечения».
В качестве входной (декодирующей боль) руки они отточили переднюю поясную часть коры головного мозга (ACC), U-образную полосу мозга, которая, как было показано, обрабатывает боль у животных и людей. Здесь они имплантировали микромассив электродов для прослушивания сигналов мозга.
Выходным рычагом для лечения служило оптическое волокно, вставленное в префронтальную до лимбическую кору (PFC). Предыдущие исследования показали, что активация нейронов PFC может ослаблять болевые сигналы от ACC как у грызунов, так и у приматов. Если ACC — это плачущий малыш, который ударил ногой по ноге, PFC — родитель, который говорит: «Все будет хорошо». В оптическом волокне используется оптогенетика — метод, который использует свет для управления нейронами, созданными с помощью генной инженерии, — для активации PFC. Вместе система образует цикл обратной связи в реальном времени, который теоретически подавляет боль, как только она возникает в мозгу.
Обезболивающее
Команда сначала проверила систему на предмет внезапной острой боли у крыс — типа, который вы чувствуете, когда обжигаете руку на раскаленной плите или наступаете на блок Lego. Декодер, алгоритм, называемый «моделью пространства состояний», может надежно анализировать сигналы боли с точностью до 80% и задержкой в несколько секунд. Он также мог надежно улавливать сигналы о механической боли — легкий укол булавкой в подушечку лапки крысы, как кончик иглы, который захватывает кончик вашего пальца во время шитья.
Как только команда включила стимулятор, животные отводили лапы на 40% медленнее, что предполагало облегчение боли.
В другом тесте на наличие как механической, так и хронической боли от воспаления — например, артрита, хронической боли в спине или фибромиалгии — команда поместила крыс в двойную камеру. С одной стороны, имплант включился, когда обнаружил болевые сигналы. С другой включился случайным образом. Крысы проводили гораздо больше времени в бывшей камере, что позволяет предположить, что имплантат ослабил их боль, когда она возникла.
Точно так же имплантат работал и при невропатической боли — состоянии, при котором проблема заключается в самой боли. Здесь нервы и датчики, передающие боль, становятся сверхчувствительными, поэтому даже легкое прикосновение может вызывать боль. Здесь крысы также отреагировали на имплант мозга, проведя больше времени в камере, где включено обезболивание.
Новая эра обезболивания
Исследование открывает новые горизонты. Это один из первых, кто использовал интеллектуальный мозговой имплант с замкнутым контуром для обнаружения и снятия приступов боли в режиме реального времени. Это также первое средство, направленное на хроническую боль, которая часто возникает без известного триггера.
Но это только начало. Хотя большинство мозговых имплантатов начинается с исследований на крысах, от грызунов до приматов к человеку — долгий путь. Одна из особых проблем — где улавливать болевые сигналы. ACC, где в этом исследовании команда имплантировала электроды для обнаружения болевых сигналов, является своего рода Центральным вокзалом. Он имеет обширные связи с другими областями мозга, наделяя его разнообразным набором ролей в дополнение к обработке боли — сочувствие, принятие решений, социальное поведение.
«В настоящее время, поскольку у нас нет конкретных анатомических мишеней для лечения боли, большинство областей мозга… неизбежно будут иметь неспецифические эффекты», — говорят авторы.
Авторы объяснили, что для прототипа подхода активность, записанная с ACC, может быть использована для обнаружения боли, добавив, что интерфейс может выявить лучшие цели для записи сигналов хронической боли на животных моделях и, возможно, на людях.
Что особенно замечательно, так это то, что стимулированная область мозга обычно не вызывает никакого чувства эйфории, падения опиоидов. Это означает, что вероятность зависимости уменьшится. А поскольку система стимулирует мозг только при обнаружении сигналов боли, она снижает вероятность адаптации мозга к стимуляции. То есть вместо того, чтобы превращать мозг в алкоголика, требующего все большего количества выпивки, это больше похоже на то, чтобы время от времени выпивать в обществе.
Хотя имплантаты головного мозга могут показаться излишними для лечения боли, для хронических больных они могут представлять собой новый выбор — аналогичный выбору, предоставленному людям с эпилепсией, которые были одними из первых, кто имплантировал замкнутые ИМК для сдерживания приступов, давая они надеются, когда наркотики не работают.
По словам авторов, мы можем расшифровывать боль по сигналам в мозгу по мере их возникновения. Наши результаты показывают, что этим сигналам можно противодействовать с помощью нового «плана терапии».
