Имплантируемые технологии значительно улучшили наши возможности изучения и даже модуляции активности нейронов головного мозга, однако нейроны спинного мозга сложнее изучать в действии.

«Если бы мы точно поняли, как нейроны спинного мозга обрабатывают ощущения и контролируют движение, мы могли бы разработать более эффективные методы лечения заболеваний и травм спинного мозга», — сказал Юй У, научный сотрудник, входящий в группу нейроинженеров из Университета Райса, работающую над решением этой проблемы.

«Мы разработали крошечный датчик , spinalNET, который регистрирует электрическую активность спинномозговых нейронов, когда субъект выполняет обычную деятельность без каких-либо ограничений», — сказал Ву, который является ведущим автором исследования датчика, опубликованного в Cell Reports . «Возможность извлечь такие знания — это первый, но важный шаг к разработке лекарств для миллионов людей, страдающих заболеваниями спинного мозга».

Согласно исследованию, датчик использовался для регистрации нейронной активности в спинном мозге свободно движущихся мышей в течение длительных периодов времени и с высоким разрешением, при этом отслеживался даже один и тот же нейрон в течение нескольких дней.

«До сих пор спинной мозг был более или менее черным ящиком», — сказал Лан Луан, доцент кафедры электротехники и вычислительной техники и соавтор исследования. «Проблема в том, что спинной мозг очень много двигается во время обычной активности. Каждый раз, когда вы поворачиваете голову или наклоняетесь, спинномозговые нейроны также двигаются».

Научный сотрудник Университета Райса Ю Ву держит spinalNET — датчик, который в сто раз меньше толщины волоса и почти такой же мягкий, как нервная ткань. Автор: Джефф Фитлоу/Университет Райса
Во время таких движений жесткие датчики, имплантированные в спинной мозг, неизбежно нарушают или даже повреждают хрупкую ткань. Однако SpinalNET более чем в сто раз меньше толщины волоса, что делает его чрезвычайно мягким и гибким — почти таким же мягким, как сама нервная ткань.

«Эта гибкость дает ему стабильность и биосовместимость, необходимые нам для безопасной регистрации спинальных нейронов во время движений спинного мозга», — сказал Чонг Се, доцент кафедры электротехники, вычислительной техники и биоинженерии и один из авторов исследования. «С помощью spinalNET мы смогли получить малошумные сигналы от сотен нейронов».

Спинной мозг играет важную роль в управлении движением и другими жизненно важными функциями, а возможность регистрировать спинальные нейроны с мелкозернистым пространственным и временным разрешением во время свободного движения открывает окно в механизмы, которые делают это возможным. Используя spinalNET, исследователи смогли определить, что спинальные нейроны в центральном генераторе паттернов — нейронной цепи, которая может производить ритмические двигательные паттерны, такие как ходьба при отсутствии определенной временной информации — по-видимому, участвуют не только в ритмическом движении.

«Некоторые из них тесно связаны с движением ног, но, что удивительно, многие нейроны не имеют очевидной связи с движением», — сказал Ву. «Это указывает на то, что спинномозговая цепь, контролирующая ритмическое движение , сложнее, чем мы думали».

Исследователи заявили, что надеются помочь разобраться в некоторых из этих сложных явлений в будущих исследованиях, решая такие вопросы, как разница между тем, как спинномозговые нейроны обрабатывают рефлекторные движения (например, испуг) и произвольные действия.

«Помимо научных знаний, мы считаем, что по мере развития технологии у нее появится большой потенциал в качестве медицинского устройства для людей с неврологическими расстройствами и травмами спинного мозга», — сказал Луан.