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Umkehrung der Lähmung durch elektrische Stimulation von Neuronen

In einer kürzlich veröffentlichten Studie in der Natur Zeitschrift untersuchten Forscher die Auswirkungen der räumlich-zeitlichen epiduralen Elektrostimulation (EES) auf Personen, die an chronischen Rückenmarksschäden leiden.

Das lumbale Rückenmark enthält die Neuronen, die die Aktivität des Gehens regulieren. Um diese für das Gehen verantwortlichen Neuronen zu aktivieren, übermittelt das Gehirn Befehle über absteigende Bahnen vom Hirnstamm. Eine akute Rückenmarksverletzung (SCI) zerstreut dieses strukturierte Kommunikationssystem. Obwohl die Verletzung die Neuronen des lumbalen Rückenmarks nicht direkt schädigt, bleiben sie aufgrund des Fehlens entscheidender supraspinaler Befehle funktionsgestört. Dies führt zu einer dauerhaften Lähmung. Einzelne Fallstudien weisen darauf hin, dass EES diese im lumbalen Rückenmark vorhandenen Neuronen schnell reaktivieren kann, sodass gelähmte Personen wieder gehen können. Auch bei abgeschalteter Stimulation verbesserte die EES-Anwendung während der Neurorehabilitation (EESREHAB) die Geherholung.

Studie: Die Neuronen, die das Gehen nach einer Lähmung wiederherstellen. Bildnachweis: MattLphotography / ShutterstockLernen: Die Neuronen, die das Gehen nach einer Lähmung wiederherstellen. Bildnachweis: MattLphotography / Shutterstock

Über das Studium

In der vorliegenden Studie bewerteten die Forscher die Auswirkungen von EES auf EESREHAB, das bei Personen mit chronischer Rückenmarksschädigung durchgeführt wurde.

Zunächst untersuchte das Team, ob EESREHAB das Gehen bei einer breiten Population von SCI-Patienten erfolgreich wiederherstellen konnte und ob diese Wiederherstellung eine Umgestaltung der Lendenregion erforderte. Als nächstes bestimmte die Studie „Stimulation Movement Overground“ (STIMO) die Sicherheit und Lebensfähigkeit von EESREHAB bei der Verbesserung der Geherholung bei chronischen SCI-Patienten. EESREHAB kombinierte einen chirurgisch implantierten Neurostimulator mit einer Paddle-Leitung mit mehreren Elektroden für die Closed-Loop-Regulierung von biomimetischen EES-Protokollen und oberirdischer Neurorehabilitation, unterstützt durch ein multidirektionales Roboterassistenzsystem.

Nach den anfänglichen Konfigurationsphasen absolvierten die Teilnehmer EESREHAB für insgesamt fünf Monate, die vier- bis fünfmal pro Woche Stehen, Gehen und Ausführen verschiedener Aktivitäten mit eingeschaltetem EES (EESON) umfassten. Im Laufe der Zeit stieg die Tragfähigkeit der Teilnehmer, sodass sie sowohl mit EESON als auch mit einem Stabilisierungsgerät im Freien gehen konnten. Positronen-Emissions-Tomographie (PET) der Aufnahme von 18F-Fluordeoxyglukose (FDG) wurde verwendet, um die metabolische Aktivität des Rückenmarks als Reaktion auf das Gehen vor und nach EESREHAB zu messen.

Basierend auf der Überexpression von unmittelbar frühen Genen zielte das Team darauf ab, neuronale Subpopulationen zu erkennen, die mit EESREHAB beschäftigt waren. Das Konzept der Priorisierung von Zelltypen wurde entwickelt und verifiziert. Darüber hinaus wurde die maschinelle Lernmethode Augur als molekularer Kompass eingesetzt, um auf Störungen reagierende Neuronen im lumbalen Rückenmark zu priorisieren. Dazu wurde zunächst untersucht, ob SCVsx2::Hoxa10-Neuronen erforderlich sind, um bei gesunden Mäusen Gehaktivität zu entwickeln. Um die Funktion von SCVsx2::Hoxa10-Neuronen nach EESREHAB zu untersuchen, führte das Team Elektroden in das drahtlose System ein, das für die Optogenetik des Rückenmarks entwickelt wurde. Rotverschobene Mikro-LEDs und Elektroden wurden dann in dasselbe Epiduralimplantat integriert, um eine tief eindringende Photostimulation zu erleichtern bzw. das Gehen mit EES zu ermöglichen.

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System zur Unterstützung des Körpergewichts, das oberirdisches Gehen ermöglicht, und drahtloser implantierbarer Impulsgenerator, der in einer geschlossenen Schleife arbeitet und mit einer Paddelleitung verbunden ist, die auf die dorsalen Wurzeln abzielt, die die lumbosakralen Segmente innervieren. b, Chronophotographie, die den Übergang vom Sitzen zum Gehen bei einem repräsentativen Teilnehmer zeigt. c, 18FDG-PET projiziert auf ein personalisiertes Modell des Rückenmarks aus hochauflösender MRT (Teilnehmer-ID DM002), das die metabolische Aktivität des Rückenmarks – ausgedrückt als standardisierter Aufnahmewert (SUVbw) – als Reaktion auf das Gehen vor und zeigt nach EESREHAB. d, Balkendiagramme, die die relative Veränderung der normalisierten FDG-PET-Stoffwechselaktivität während des Gehens vor und nach EESREHAB, die motorischen Werte der unteren Extremitäten und die während des 6-Minuten-Gehtests zurückgelegte Strecke darstellen (n = 9; Stoffwechselaktivitäts-Mixed-Effects-Modell). : t = –3,2, P = 0,002; motorische Werte der unteren Extremitäten, zweiseitiger t-Test mit gepaarten Stichproben: t = 3,7, P = 0,0063; zurückgelegte Strecke, zweiseitiger t-Test mit gepaarten Stichproben: t = 3,5; P = 0,0076). e, Links, System zur Unterstützung des Körpergewichts, das das Gehen über Grund bei Mäusen ermöglicht, mit implantierbaren Elektroden zur Abgabe von EES. Rechts, Rückenmarksvisualisierung von Projektionen von Neuronen im motorischen Kortex und glutamatergen (vGluT2ON) Neuronen in der Formatio reticularis, verfolgt mit AAV5-CAG-COMET-GFP bzw. AAV5-CAG-DIO-COMET-tdTomato. Maßstabsbalken, 1 mm. f, Chronophotographie von repräsentativen Mäusen nur mit SCI (SCI, EESOFF) oder SCI mit EESREHAB (EESREHAB, EESOFF). g, Expression von cFos im lumbalen Rückenmark nach Gehen mit EESON nach Rückenmarksverletzung oder Rückenmarksverletzung mit EESREHAB. Maßstabsbalken, 500 μm. h, Laufleistung von unverletzten Mäusen (n = 3), Mäusen mit SCI (n = 10) und Mäusen mit SCI und EESREHAB, getestet mit EESOFF (n = 10) oder EESON (n = 10) (Einweg-ANOVA; Tukey's ehrlicher signifikanter Unterschied für SCI versus EESREHAB→EESOFF: P = 3,3 × 10–11). i, Die Anzahl der Neuronen, die cFos(cFosON) exprimieren (Mäuse mit SCI mit EESON, n = 4; Mäuse mit EESREHAB und EESON, n = 4; zweiseitiger t-Test unabhängiger Stichproben: t = –5,7; P = 0,001) . h, i, Balken zeigen Mittelwert ± Standardfehler mit überlagerten einzelnen Punkten. *P < 0,05, **P < 0,01, ***P < 0,001.System zur Unterstützung des Körpergewichts, das oberirdisches Gehen ermöglicht, und drahtloser implantierbarer Impulsgenerator, der in einer geschlossenen Schleife arbeitet und mit einer Paddelleitung verbunden ist, die auf die dorsalen Wurzeln abzielt, die die lumbosakralen Segmente innervieren. BChronophotographie, die den Übergang vom Sitzen zum Gehen bei einem repräsentativen Teilnehmer zeigt. C18FDG-PET projiziert auf ein personalisiertes Modell des Rückenmarks, das aus hochauflösender MRT (Teilnehmer-ID DM002) erstellt wurde und die Stoffwechselaktivität des Rückenmarks – ausgedrückt als standardisierter Aufnahmewert (SUVbw) – als Reaktion auf das Gehen vor und nach dem Gehen zeigt EESREHAB. DBalkendiagramme, die die relative Veränderung der normalisierten FDG-PET-Stoffwechselaktivität während des Gehens vor und nach EESREHAB, die motorischen Werte der unteren Extremitäten und die während des 6-Minuten-Gehtests zurückgelegte Strecke darstellen (n = 9; Stoffwechselaktivitäts-Mixed-Effects-Modell: t = –3,2, P = 0,002; motorische Werte der unteren Extremitäten, zweiseitiger t-Test mit gepaarten Stichproben: t = 3,7, P = 0,0063; zurückgelegte Strecke, zweiseitiger t-Test mit gepaarten Stichproben: t = 3,5; P = 0,0076 ). e, Links: System zur Unterstützung des Körpergewichts, das das Laufen über der Erde bei Mäusen ermöglicht, mit implantierbaren Elektroden zur Abgabe von EES. Rechts, Rückenmarksvisualisierung von Projektionen von Neuronen im motorischen Kortex und glutamatergen (vGluT2ON) Neuronen in der Formatio reticularis, verfolgt mit AAV5-CAG-COMET-GFP bzw. AAV5-CAG-DIO-COMET-tdTomato. Maßstabsbalken, 1 mm. FChronophotographie von repräsentativen Mäusen nur mit SCI (SCI, EESOFF) oder SCI mit EESREHAB (EESREHAB, EESOFF). G, Expression von cFos im lumbalen Rückenmark nach Gehen mit EESON nach Rückenmarksverletzung oder Rückenmarksverletzung mit EESREHAB. Maßstabsbalken, 500 μm. HGehleistung von unverletzten Mäusen (n = 3), Mäusen mit SCI (n = 10) und Mäusen mit SCI und EESREHAB, getestet mit EESOFF (n = 10) oder EESON (n = 10) (Einweg-ANOVA; Tukey’s ehrlich signifikanter Unterschied für SCI versus EESREHAB→EESOFF: P = 3,3 × 10–11). ichDie Anzahl der Neuronen, die cFos(cFosON) exprimieren (Mäuse mit SCI mit EESON, n = 4; Mäuse mit EESREHAB und EESON, n = 4; zweiseitiger t-Test unabhängiger Stichproben: t = –5,7; P = 0,001). H,ich, Balken zeigen Mittelwert ± Sem mit überlagerten einzelnen Punkten. *P

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Ergebnisse

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Biomimetische EES-Methoden ermöglichten es allen neun Probanden, ihre Gehfähigkeit wiederherzustellen oder zu steigern, wenn sie von der Roboterschnittstelle unterstützt wurden. Darüber hinaus konnten die Probanden, darunter zwei mit totaler sensomotorischer Lähmung, bei aktiviertem EES willkürliche Kontrolle über die Amplitude ihrer Schritte ausüben. Vier Probanden, die vor EESREHAB eine Restfunktion aufwiesen, zeigten eine signifikante Verbesserung ihrer motorischen Scores der unteren Extremitäten und stellten ihre Gehfähigkeit auch ohne EES wieder her. Diese Ergebnisse unterstützten die primären und sekundären Ziele der klinischen Studie.

Die in den unteren Extremitäten festgestellte Verbesserung der Gehfunktion wurde durch EESREHAB in den Lendensegmenten reduziert. Diese Abnahme der neuronalen Aktivität im lumbalen Rückenmark deutete darauf hin, dass EESREHAB die aktivitätsabhängige Auswahl spezifischer neuronaler Subpopulationen steuerte, die zum Gehen nach einer Lähmung erforderlich sind.

Als Reaktion auf alle therapeutischen Eigenschaften von EESREHAB wurden zwei Gruppen von exzitatorischen Interneuronen des lumbalen Rückenmarks ausgewählt, die Vsx2 zusammen mit kaudalen Neuronen des Rückenmarks (Hoxa10) (SCVsx2::Hoxa10) exprimierten. Diese unerwartete Entdeckung war unabhängig von der Auflösung, die zur Charakterisierung von Neuronensubpopulationen verwendet wurde. Die priorisierten Neuronen waren den entwicklungsmäßig charakterisierten V2a-Neuronen des lumbalen Rückenmarks ähnlich. Als Reaktion auf das Gehen mit EES entdeckte das Team eine Erhöhung der unmittelbar frühen Gene in SCVsx2::Hoxa10-Neuronen. Diese transkriptionelle Aktivität stand im Gegensatz zur Regulation von Genen, die mit einem langfristigen strukturellen Umbau nach EESREHAB verbunden sind.

Wenn SCVsx2::Hoxa10-Neuronen in SCI-betroffenen Mäusen optogenetisch inaktiviert wurden, kam es zu einer sofortigen Hemmung des EES-induzierten Gehens. Unmittelbar nach dem Ausschalten der Mikro-LEDs wurde das Gehen jedoch fortgesetzt. Im Gegensatz dazu phänokopierte die Stimulation von SCVsx2::Hoxa10-Neuronen mit chronischer Lähmung sofort die grundlegenden Aspekte der Geherholung, die bei Mäusen beobachtet wurden, die sich EESREHAB unterzogen hatten, unabhängig davon, ob EES aktiviert war. Die chronische chemogenetische Stimulation von SCVsx2::Hoxa10-Neuronen bei Mäusen, die sich einer Rehabilitation ohne EES unterzogen, führte zu einer Geherholung, die mit der von Mäusen vergleichbar war, die sich einer EESREHAB-Behandlung unterzogen. Es wurde die Hypothese aufgestellt, dass die anhaltende Stummschaltung von SCVsx2::Hoxa10-Neuronen die Erholung als Reaktion auf EESREHAB einschränken würde, da die Stummschaltung dieser Neuronen das Gehen nach einer Rückenmarksverletzung hemmte.

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Insgesamt zeigten die Studienergebnisse, dass EESREHAB das Gehen wiederherstellte und den neurologischen Zustand von neun Personen mit chronischer Querschnittlähmung verbesserte. Diese Genesung verdeutlichte die Behandlungswirksamkeit von EESREHAB bei Personen mit neurologischen Defiziten, die das gesamte Schwerespektrum nach SCI abdecken, und ebnete damit den Weg für die klinische Umsetzung dieser Therapie.

Referenz:

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