123RF
Naukowcy zidentyfikowali neurony potrzebne do odzyskania sprawności przez osoby sparaliżowane
Redaktor: Monika Stelmach
Data: 21.11.2022
Źródło: Katarzyna Czechowicz/PAP, DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-022-05385-7
Dziewięć sparaliżowanych w wyniku urazów kręgosłupa osób dzięki zastosowaniu metody stymulacji zewnątrzoponowej ponownie zaczęło chodzić, co pozwoliło badającym ich naukowcom zlokalizować neurony, które prawdopodobnie leżą u podstaw powrotu do sprawności po paraliżu.
Eksperymenty na zwierzętach potwierdziły, że zidentyfikowana grupa neuronów faktycznie może kierować rekonwalescencją i stać się w przyszłości podstawą opracowania nowych metod terapii osób z poważnymi urazami rdzenia kręgowego.
W 2018 roku naukowcy po raz pierwszy stwierdzili, że stymulacja nerwów w pobliżu miejsca urazu, czyli tzw. zewnątrzoponowa stymulacja elektryczna (EES), może łagodzić ból osób po urazach rdzenia kręgowego i przywracać zdolność chodzenia. Jednak – choć metoda ta była jedną z nielicznych o istotnych efektach klinicznych – nie do końca było jasne, jakie mechanizmy neuronalne stoją u jej podstaw.
Aby zbadać mechanistyczne podstawy tej terapii, neurobiolodzy ze Szwajcarskiego Federalnego Instytutu Technologii w Lozannie obserwowali dziewięciu sparaliżowanych pacjentów, którzy przeszli pięciomiesięczny schemat EES połączony z fizykoterapią oraz rehabilitacją. Sześciu pacjentów po przebytym urazie rdzenia kręgowego zachowało szczątkowe czucie w nogach, a trzech pacjentów było całkowicie sparaliżowanych od pasa w dół. W trakcie leczenia zespół mapował aktywność komórek nerwowych u każdej z badanych osób.
Zaobserwowano, że wraz z poprawiającym się stanem aparatu ruchu i odzyskiwaniem zdolności chodzenia poziom aktywności nerwów w pobliżu miejsca urazu malał. Nie było to jednak zaskoczeniem dla zespołu badawczego, ponieważ – jak wyjaśniają naukowcy – taka sama sytuacja zachodzi w mózgu podczas uczenia się.
– Kiedy człowiek uczy się jakiegoś zadania, w jego mózgu dzieje się dokładnie to samo: w miarę postępów aktywowanych jest coraz mniej neuronów – mówi kierujący badaniem dr Grégoire Courtine.
Tłumaczy, że po urazie rdzenia kręgowego, kiedy chory rozpoczyna terapię, a jego ciało zaczyna na nią reagować, w jego organizmie pojawia się dużo „chaotycznej aktywności”. Jednak z czasem proces rehabilitacji powoduje, że aktywność ta zaczyna się systematyzować: określony typ komórek nerwowych zwiększa swoją aktywność, podczas gdy inne ją całkowicie wytracają.
Odkrycia te zasugerowały naukowcom, że może istnieć jakiś podzbiór neuronów odpowiedzialnych za koordynację powrotu do zdrowia po poważnych urazach rdzenia kręgowego. Postanowili przetestować tę hipotezę na myszach.
Wywołali u zwierząt uraz podobny do tego, jakiemu ulegli pacjenci, a następnie tak samo je rehabilitowali. Okazało się, że zastosowanie mysiej wersji EES u osobników ze sparaliżowanymi kończynami spowodowało takie samo tłumienie aktywności pewnej konkretnej populacji neuronów, jaka była u ludzi.
Następnie badacze zmierzyli ekspresję genów w mysich neuronach tkanki rdzeniowej i na tej podstawie podzielili je na podzbiory. Korzystając z algorytmu uczenia maszynowego, byli w stanie zmapować zmiany w ekspresji genów, które odpowiadały etapom powrotu do zdrowia ludzkich pacjentów.
Ostatecznie udało im się zidentyfikować subpopulację nieznanych wcześniej neuronów pobudzających (czyli komórek nerwowych łączących neurony ruchowe i czuciowe), które potencjalnie mogą przejmować kontrolę po urazie. Zlokalizowane one były w tzw. blaszkach pośrednich rdzenia kręgowego lędźwiowego, a na swojej powierzchni prezentowały dwa markery genetyczne: Vsx2 i Hoxa10.
Kiedy naukowcy laboratoryjnie dezaktywowali te komórki, myszy ponownie traciły zdolność chodzenia i odzyskiwały ją dopiero po kolejnej aktywacji neuronów. Natomiast u zwierząt bez uszkodzenia rdzenia kręgowego wyciszenie komórek nie dawało żadnych efektów, co sugeruje, że stają się one niezbędne dopiero po urazie.
– Populacja neuronów SCVsx2/Hoxa10 nie wydaje się potrzebna do chodzenia zdrowym osobnikom, ale jest niezbędna do powrotu do zdrowia po urazach kręgosłupa. Nasze eksperymenty potwierdziły, że ich obecność jest podstawowym wymogiem przywrócenia zdolności chodzenia po paraliżu – podkreślają naukowcy z Lozanny.
Zdaniem autorów nadzieja, jaką niesie to odkrycie osobom z urazami kręgosłupa, jest niewiarygodna. – Może z czasem doprowadzić do opracowania nowych, skutecznych opcji leczenia i zapewnić lepszą jakość życia osobom z wszelkiego rodzaju urazami rdzenia kręgowego – uważają.
W 2018 roku naukowcy po raz pierwszy stwierdzili, że stymulacja nerwów w pobliżu miejsca urazu, czyli tzw. zewnątrzoponowa stymulacja elektryczna (EES), może łagodzić ból osób po urazach rdzenia kręgowego i przywracać zdolność chodzenia. Jednak – choć metoda ta była jedną z nielicznych o istotnych efektach klinicznych – nie do końca było jasne, jakie mechanizmy neuronalne stoją u jej podstaw.
Aby zbadać mechanistyczne podstawy tej terapii, neurobiolodzy ze Szwajcarskiego Federalnego Instytutu Technologii w Lozannie obserwowali dziewięciu sparaliżowanych pacjentów, którzy przeszli pięciomiesięczny schemat EES połączony z fizykoterapią oraz rehabilitacją. Sześciu pacjentów po przebytym urazie rdzenia kręgowego zachowało szczątkowe czucie w nogach, a trzech pacjentów było całkowicie sparaliżowanych od pasa w dół. W trakcie leczenia zespół mapował aktywność komórek nerwowych u każdej z badanych osób.
Zaobserwowano, że wraz z poprawiającym się stanem aparatu ruchu i odzyskiwaniem zdolności chodzenia poziom aktywności nerwów w pobliżu miejsca urazu malał. Nie było to jednak zaskoczeniem dla zespołu badawczego, ponieważ – jak wyjaśniają naukowcy – taka sama sytuacja zachodzi w mózgu podczas uczenia się.
– Kiedy człowiek uczy się jakiegoś zadania, w jego mózgu dzieje się dokładnie to samo: w miarę postępów aktywowanych jest coraz mniej neuronów – mówi kierujący badaniem dr Grégoire Courtine.
Tłumaczy, że po urazie rdzenia kręgowego, kiedy chory rozpoczyna terapię, a jego ciało zaczyna na nią reagować, w jego organizmie pojawia się dużo „chaotycznej aktywności”. Jednak z czasem proces rehabilitacji powoduje, że aktywność ta zaczyna się systematyzować: określony typ komórek nerwowych zwiększa swoją aktywność, podczas gdy inne ją całkowicie wytracają.
Odkrycia te zasugerowały naukowcom, że może istnieć jakiś podzbiór neuronów odpowiedzialnych za koordynację powrotu do zdrowia po poważnych urazach rdzenia kręgowego. Postanowili przetestować tę hipotezę na myszach.
Wywołali u zwierząt uraz podobny do tego, jakiemu ulegli pacjenci, a następnie tak samo je rehabilitowali. Okazało się, że zastosowanie mysiej wersji EES u osobników ze sparaliżowanymi kończynami spowodowało takie samo tłumienie aktywności pewnej konkretnej populacji neuronów, jaka była u ludzi.
Następnie badacze zmierzyli ekspresję genów w mysich neuronach tkanki rdzeniowej i na tej podstawie podzielili je na podzbiory. Korzystając z algorytmu uczenia maszynowego, byli w stanie zmapować zmiany w ekspresji genów, które odpowiadały etapom powrotu do zdrowia ludzkich pacjentów.
Ostatecznie udało im się zidentyfikować subpopulację nieznanych wcześniej neuronów pobudzających (czyli komórek nerwowych łączących neurony ruchowe i czuciowe), które potencjalnie mogą przejmować kontrolę po urazie. Zlokalizowane one były w tzw. blaszkach pośrednich rdzenia kręgowego lędźwiowego, a na swojej powierzchni prezentowały dwa markery genetyczne: Vsx2 i Hoxa10.
Kiedy naukowcy laboratoryjnie dezaktywowali te komórki, myszy ponownie traciły zdolność chodzenia i odzyskiwały ją dopiero po kolejnej aktywacji neuronów. Natomiast u zwierząt bez uszkodzenia rdzenia kręgowego wyciszenie komórek nie dawało żadnych efektów, co sugeruje, że stają się one niezbędne dopiero po urazie.
– Populacja neuronów SCVsx2/Hoxa10 nie wydaje się potrzebna do chodzenia zdrowym osobnikom, ale jest niezbędna do powrotu do zdrowia po urazach kręgosłupa. Nasze eksperymenty potwierdziły, że ich obecność jest podstawowym wymogiem przywrócenia zdolności chodzenia po paraliżu – podkreślają naukowcy z Lozanny.
Zdaniem autorów nadzieja, jaką niesie to odkrycie osobom z urazami kręgosłupa, jest niewiarygodna. – Może z czasem doprowadzić do opracowania nowych, skutecznych opcji leczenia i zapewnić lepszą jakość życia osobom z wszelkiego rodzaju urazami rdzenia kręgowego – uważają.
