Как нейротехнологии меняют медицину

Всеволод Вадимович Белоусов, д.б.н., член-корреспондент РАН, директор Федерального центра мозга и нейротехнологий Федерального медико-биологического агентства России, главный научный сотрудник Пироговского Университета, рассказал о том, какие сегодня существуют нейротехнологии и как они расширяют возможности врачей.

Нейротехнологии — это совокупность способов влиять на нервную систему или считывать с нее информацию. Они входят в обиход через медицину, но начинаются не с человека, а с экспериментов на клетках.

Синтетические нейротехнологии

С помощью синтетических нейротехнологий можно измерять те или иные параметры или управлять клетками. Если взять флуоресцентный белок и объединить его с белком, чувствительным к изменениям среды организма, то появляется возможность фиксировать в реальном времени нужный показатель.

С помощью таких конструкций ученые выяснили, какие процессы идут в области ишемического инсульта, какие химические изменения происходят в тканях. Мы знаем, например, амплитуду колебаний рН в зоне инсульта, и это позволяет искать эффективные лекарственные препараты.

Классический пример синтетических нанотехнологий — оптогенетика, когда ученые переходят от измерения к управлению функциями нейронов. Если светочувствительные белки, фактически ген фоторецептора, закодировать в нейроне мыши, то получится светочувствительный нейрон. Введя оптоволоконный интерфейс, ученые получают возможность управлять такой клеткой, активировать ее, дезактивировать, влиять на течение процессов в организме. Такие технологии позволили открыть множество процессов регуляции в нейронах.

Ученые не исключают, что оптогенетика найдет применение в медицине, но пока что область использования у нее одна: фотопротезирование сетчатки. При ряде дегенеративных заболеваний у человека умирают фоточувствительные клетки. Чтобы восстановить зрительную функцию, фоточувствительность придают биполярным и ганглионарным клеткам сетчатки с помощью экспрессии канала родопсина. Правда, собственная иммунная система человека борется с чужеродными оспинами, и эту проблему еще предстоит преодолеть.

Генная терапия и стволовые клетки

В нейромедицине сегодня все шире разрабатываются генотерапевтические препараты. Если какой-то ген «поломан», то мы можем взять его исправленную версию и постараться восстановить функцию органа. Существуют также моноклональные антитела, которые позволяют скорректировать молекулы, работающие неправильно.

Интересна в неврологии история стволовых клеток. Когда их открыли, ученым казалось, что если такую клетку поместить в мозг, то она дифференцируется в нейроны. В реальности оказалось, что в организме стволовые клетки ни во что не превращаются, но пока они живут, то успевают секретировать факторы, сообщающие окружению регенеративный потенциал. То есть они не перепрограммируются, а перепрограммируют нишу, в которой находятся. Это позволило создать препарат для терапии спинальной травмы, его испытания должны начаться в 2025 году.

При травмах позвоночника и разрывах спинного мозга пациента можно поставить на ноги за счет нейростимуляции. В эпидуральное пространство между стенкой позвонка и твердой оболочкой спинного мозга хирург устанавливает электроды, которые стимулируют центры ходьбы. Стимулируя их по определенному алгоритму, пациент учится заново двигать ногами, у него восстанавливаются тазовые функции и т. Д. Но в месте разрыва спинного мозга образуется киста, которая зарастает фиброзными волокнами. Они мешают восстанавливать утраченные нейронные связи, растут, давят на оставшиеся ткани. Оказалось, если во время операции ввести препарат, содержащий стволовые клетки, эффективность нейростимуляции вырастает в несколько раз.

Клеточные нейротехнологии

Клеточное перепрограммирование сегодня уже стало рутинной процедурой, а несколько лет назад такое было сложно себе представить. Из кожи пациента можно взять клетки, перепрограммировать их в стволовые, а потом из стволовых получить, например, нейроны. Где применить эту технологию? У вас есть пациент с генетическим заболеванием нервной системы, и необходимо изучить его клетки. «залезть» в голову человека и зачерпнуть оттуда нейроны нельзя, а методом перепрограммирования получить их можно. 

Клеточные нейротехнологии помогают разрабатывать методы заместительной терапии заболеваний мозга. Например, при инсульте или черепно-мозговой травме пациент утратил функциональную область нервной ткани. Можно вырастить из клеток его кожи нейроорганоид, который замещает утраченный участок, и функция восстановится. Впрочем, здесь есть ограничения: «комочек» нейронов, который имплантируют в мозг, имеет случайную архитектуру. В идеале нужно создавать тканеинженерные конструкции с заданной структурой. Это делается путем биопечати, а также выращивания нейронов на специальном материале, задающем структуру будущего органоида. Фокусированный ультразвук чтобы прицельно воздействовать на структуры мозга, можно сфокусировать ультразвук с помощью особой линзы или трансдьюсера и создать зону нагрева. Таким образом появляется шанс «выключить» зону, активность которой негативно сказывается на состоянии организма.

При болезни Паркинсона с помощью этой методики можно сфокусировать энергию на той области мозга, которая генерирует «дрожание» мышц, тремор. Процедуру выполняют под контролем МРТ, и без анестезии, без разрезов получается выраженный результат. Если из-за тремора человек не мог выполнить элементарные действия, то после процедуры он может даже рисовать, не испытывая сложностей.

Ультразвук может также «приоткрывать» в определенных участках мозга гематоэнцефалический барьер, который защищает мозг от токсинов, но точно так же и от лекарств. Сегодня благодаря направленному ультразвуку можно точечно доставлять препараты в зону, где их действие необходимо.

Обратная связь

Перспективной областью сегодня является использованиеVR, технологий виртуальной и дополненной реальности, которые в основном находят применение в нейрореабилитации. Ведь успех реабилитационного процесса зависит от пластичности мозга, от того, смогут ли какие-то его области взять на себя функции «выбывших» участков. «раскачать» пластичность может VRr. Например, если у пациента утрачена функция конечности, то для него создается роботизированная или vr-конечность. Человек может ими управлять, и в мозгу при этом закрепляется положительная обратная связь.

Технология биологической обратной связи также применяется достаточно широко. Например, перед врачом стоит задача снять с пациента напряжение. У него снимают ЭЭГ при расслаблении, и эти параметры тут же «возвращаются» обратно пациенту, но в виде игрового сценария. Человек видит на экране машинку, которую он должен заставить поехать определенной активностью мозга: расслаблением. Такими методами можно решать самые разные задачи, научить не только расслабляться, но, напротив, сосредотачиваться, концентрировать усилия.

И наконец, нельзя не сказать об интерфейсе «мозг — компьютер». С его помощью сигналы с определенных зон коры головного мозга считываются, обрабатываются, переводятся в конкретное действие. Чаще всего сегодня используют инвазивные интерфейсы для полностью парализованных пациентов, у которых активность мозга перекодируется в речь.

Если же говорить о будущем, то сейчас активно разрабатывается мягкая имплантируемая электроника. Раньше все электроды, которые имплантировались в мозг, были твердыми: тонкими, гибкими, но твердыми. А мозг — это мягкая ткань, и иммунная система хорошо отслеживает такие электроды как нечто чужеродное. Глиальные клетки инкапсулируют электроды и изолируют их от тканей мозга. Мягкие электроды будут гораздо более эффективны.