Ученые СПбГУ в составе международной исследовательской группы выяснили, что электрическая стимуляция спинного мозга активирует мышцы, отвечающие за движение: такие сигналы влияют на активность нейронов, помогая не только начать ходьбу, но и поддерживать ее в нужном ритме. Открытие, которое в перспективе может помочь усовершенствовать методы реабилитации пациентов с травмами спинного мозга, паркинсонизмом и другими нарушениями двигательных функций, описано в статье, опубликованной в научном журнале Experimental Neurology.
Спинной мозг играет ключевую роль в управлении движениями. В нем находятся особые группы нейронов, которые формируют локомоторную сеть — систему, отвечающую за генерацию и координацию шагов. Нейроны в этом случае работают, как «дирижеры», управляя мышцами ног во время ходьбы. При травмах спинного мозга эта сеть повреждается, что приводит к потере локомоторных способностей.
Авторы новой работы применили эпидуральную электростимуляцию (ЭЭС) — метод, при котором электрические импульсы подаются через электроды, расположенные на поверхности спинного мозга. Этот подход уже используется для восстановления движений у пациентов с травмами спинного мозга, но механизм активации нейронных сетей с помощью ЭЭС известен не был.
Нейрофизиологи решили выяснить, как ЭЭС влияет на активность отдельных нейронов спинного мозга. Они провели уникальные эксперименты на движущихся животных, одновременно регистрируя работу множества нейронов сети тончайшими мультиэлектродными матрицами.
Оказалось, что ЭЭС способна запускать локомоторную сеть, даже если ранее она не была активна. Электрические импульсы стимулируют нейроны спинного мозга, заставляя их работать так, будто организм готовится к движению, при этом активность нейронов меняется в зависимости от фазы движения — например, когда нога поднимается или опускается. В начальной фазе, т.е. до старта движения, ЭЭС вызывала общее повышение активности нейронов, во время самого движения эта активность становилась более организованной, чтобы поддерживать ритмичность шагов.
Кроме того, ученым удалось доказать, что отличающиеся друг от друга группы нейронов по-разному реагируют на электрический импульс: одни давали ответ на электрическую стимуляцию быстро, другие проявляли активность медленнее, поэтому ЭЭС помогала не только поддерживать высокий уровень возбудимости нейронной сети, необходимый для выполнения движений, но и не нарушала общего ритма ходьбы. Авторы работы отмечают, что полученные результаты важны для развития клинических подходов нейромодуляции и нейропротезирования при заболеваниях и травмах нервной системы.
