O interfață inovatoare a măduvei spinării restabilește controlul și senzația vezicii urinare
Aproximativ 308.000 de persoane din Statele Unite trăiesc cu leziuni ale măduvei spinării. Aproape toate acestea își pierd controlul vezicii urinare.
În ciuda acestui fapt, majoritatea cercetărilor și atenției în domeniul neurotehnologiei s-au concentrat pe restaurarea mobilității, având ca scop readucerea la viață a membrelor paralizate. „Când nu poți să îți controlezi vezica, asta este tot ce te preocupă”, afirmă Charles Liu, profesor de chirurgie neurologică și neurologie la Keck School of Medicine din USC, care conduce USC Neurorestoration Center și este coautor al unui nou articol intitulat „Intraspinal Microstimulation of Dorsolateral Funiculus for Coordinated Bladder Control”, publicat în IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering. Liu subliniază că mirosul este o problemă majoră pentru pacienții săi. „Este o problemă socială uriașă. Iar medical, toți pacienții mei care utilizează interfețe creier-computer au un episod sever de urosepsis în fiecare an. Am cunoscut pacienți care au murit din această cauză.”
Interfața dintre mașină și măduva spinării
Interfețele creier-computer au fost subiect de știri timp de ani de zile. Echipa lucrează la o interfață a măduvei spinării, iar această distincție este importantă. Măduva spinării reprezintă o țintă ingineresc surprinzător de elegantă: pachetele de fibre specifice transportă tipuri specifice de semnale în locații anatomice constante, indiferent de individ. Cu toate acestea, Christopoulos observă că acest aspect a fost în mare parte ignorat de comunitatea științifică. „Când am discutat cu oameni din neurologie, cea mai mare parte a răspunsului a fost că este doar un cablu.” Aproape că nu există cercetări de neuroimagistică funcțională asupra măduvei spinării, o lacună izbitoare pentru o structură ce guvernează atât de mult din experiența umană.
Măduva spinării nu este doar un cablu. Controlul vezicii urinare este distribuit în mod sparțit în creier. Dar aici putem viza direct o regiune și declanșa senzația de umplere a vezicii.”
Practic, rezultatul contează. Cele mai multe tehnologii existente care ajută pacienții să se elibereze depind de programe fixe: un alarm se declanșează, iar aceștia cateterizează. „Cel mai bun lucru despre aceasta”, spune Zhong, „este că poate face ca oamenii să simtă că există o nevoie de a se elibera, în loc să depindă de ceasurile de alarmă.” Această regiune este funiculul dorsolateral (DFL), un pachet subțire de fibre senzoriale ascendente, situat aproape de suprafața măduvei spinării. Normal, pe măsură ce vezica se umple, semnalele călătoresc prin DFL către creier, care înregistrează umplerea și trimite un semnal coordonat înapoi: contractarea mușchiului vezicii și relaxarea sfincterului în același timp. După o leziune a măduvei spinării, acest circuit este întrerupt. Pacientul pierde nu doar controlul voluntar, ci și capacitatea de a simți nevoia de a se elibera.
Întrebarea echipei a fost: se poate găsi adresa exactă a acelui semnal și reda artificial? Folosind aranjamente de microelectrozi personalizate dezvoltate de Ecate LLC, o companie afiliată USC, echipa a mapat activitatea neurală în șoareci în timpul umplerii controlate a vezicii. Electrozii, mai mici decât un fir de păr uman, au fost inserați în regiunile candidate ale măduvei spinării. Majoritatea au fost tăcuți. Dar în DFL, unul sau două canale adiacente s-au activat cu un puls ritmic care a urmărit umplerea cu precizie, crescând de la 30 Hz cu primele picături de soluție salină la aproape 100 Hz înainte de a se elibera. Electrozii aflați la doar 65 de micrometri distanță au rămas complet tăcuți. Zona răspunsivă, având aproximativ 100 pe 100 de micrometri, a fost suficient de consistentă între animale pentru a servi ca o adresă anatomică fiabilă.
Într-un grup separat de modele animale, au livrat impulsuri electrice modelate în aceleași coordonate, temporizate pentru a imita semnalul biologic al unei vezici pline. Eliberarea coordonată a avut loc în 91,7% dintre încercări, crescând la 100% atunci când vezica a fost umplută la volumul în care începe activitatea naturală a DFL. Electrozii mușchilor de la picioare au rămas tăcuți pe tot parcursul: răspunsul a fost specific vezicii, nu un reflex motor generalizat.
Întregul sistem, denumit BLISS, pentru Bladder-Linked Stimulation System, ar combina această interfață senzorială cu un senzor de volum al vezicii urinare și un stimulator motor, creând o neuroproteză cu circuit închis care restabilește atât senzația, cât și actul de eliberare.
Drumul către pacienți
Echipa lucrează deja cu modele animale mai mari, a căror anatomie se apropie de cea umană. Liu estimează că, cu o finanțare adecvată, înregistrările inițiale la oameni ar putea începe în termen de 18 luni; nu la pacienți cu leziuni ale măduvei spinării la început, ci în cadrul unor intervenții chirurgicale pentru tumori la măduva spinării, care sunt deja mult mai invazive. O înregistrare scurtă în timpul unei intervenții existente adaugă un risc minim, în timp ce acești pacienți se confruntă adesea cu complicații ale vezicii urinare și au un interes direct în ceea ce se construiește.
