Имплантируемый датчик вернул осязание крысиной лапе

Израильские ученые разработали имплантируемый датчик с автономным питанием, который однажды сможет восстановить тактильные ощущения при повреждении нервов. В работе, опубликованной в журнале ACS Nano, исследователи протестировали устройство с трибоэлектрическим эффектом на крысах с перерезанным нервом на левой лапе. Устройство успешно восстановило чувствительность конечностей грызунов.

Потеря тактильных ощущений — обычное явление у людей с повреждением периферических нервов, которым страдают 2,8 процента пациентов с травмами. На сегодняшний день золотой стандарт восстановления нервов — хирургическая реконструкция нерва, такая как нервная аллотрансплантация. Однако успешную реконструкцию нервов можно осуществить только в первые два года после травмы, более того, важна жизнеспособность органов-мишеней. Но даже при соблюдении этих условий вероятность успеха невысока.

Альтернативный способ восстановления тактильных ощущений — это разработка нейропротезов. Однако доступные технологии нейропротезирования имеют существенные недостатки, включая сложность использования и производства, а также необходимость во внешнем источнике питания. Большинство экспериментальных интерфейсов, обеспечивающих чувствительность руке-протезу, подключаются к периферическим нервам. В процессе тренировки их стимуляция приводит к формированию новых нейрональных связей в мозге, которые переводят сигналы от датчиков протеза в тактильные ощущения. Такие ощущения, как правило, далеки от натуральных и напоминают покалывание или пощипывание. Кроме того, подобные интерфейсы требуют ненарушенной связи периферических нервов с корой мозга.

Теперь команда исследователей из Тель-Авивского университета под руководством Ифтаха Шломо (Iftach Shlomy) для восстановления осязания предложила использовать трибоэлектрические наногенераторы. Такие устройства основаны на использовании трибоэлектрического эффекта — появлении в материале электрического тока в результате трения. Конкретно свое разработанное устройство исследователи назвали TENG-IT. Оно состоит из двух слоев, нанесенных на тонкие слои золота, которые служат в качестве электрода. Полидиметилсилоксан выбрали в качестве отрицательно заряженного материала, а нейлон и ацетатбутират целлюлозы протестировали в качестве положительно заряженных слоев, поскольку они оба гибкие, биосовместимые и могут генерировать большой электрический потенциал. При использовании ацетатбутирата целлюлозы наблюдалось более высокое выходное напряжение (0,97 вольт), чем при использовании нейлона (0,73 вольта). К тому же, ацетатбутират целлюлозы оказался более стабильным материалом.

Когда устройство имплантируется под кожу, оно преобразует оказываемое на него давление в электрический потенциал, который через манжетные электроды передается неповрежденным соседним нервам, а они, свою очередь, передают сигнал в мозг. Ученые проверили долговечность устройства, сделав более полумиллиона нажатий и в смоделированных биологических условиях в течение 26 дней. 

Затем ученые продемонстрировали работу датчика (размером 5×5 миллиметров) in vitro, показывая, что устройство способно вызывать электрическую активность в нейронах спинальных ганглиев, и что степень этой активности зависит от уровня приложенного давления. Потом ученые перешли к экспериментам in vivo. Для этого они имплантировали датчик крысам, у которых был перерезан дистальный большеберцовый нерв на левой лапе. Концевая часть дистального большеберцового нерва не является важной для двигательной функции, поэтому предполагалось, что такое повреждение лишь снизит чувствительность и не будет мешать животным передвигаться. Чтобы устройство лучше подходило по форме крысиной лапы, ученые сделали его в виде треугольника с площадью 24 квадратных миллиметра.

Исследователи разделили девять самок крыс на три группы. Подопытным из первой группы никаких процедур не проводили, крысам из второй группы перерезали нерв, а животным, попавшим в третью группу, также перерезали нерв, но при этом в поврежденную конечность имплантировали устройство TENG-IT. После того, как крысы оправились от операции, ученые убедились, что животные не потеряли способность нормально передвигаться и ступать на лапку.

Затем ученые измерили чувствительность лапок крыс из всех групп. Оценка чувствительности проводилась при помощи воздействия на лапы нитями фон Фрея разной жесткости (сила сгибания нитей составляла от 2 до 15 грамм). Возрастающая сила прикладывалась к лапе крысы снизу, и как только крыса ощущала силу, она поднимала лапу. Животные с функциональными тактильными ощущениями обычно реагируют на небольшое количество силы, в то время как крысы без тактильных ощущений реагируют только на гораздо более высокие значения силы. Следует отметить, что даже крысы с перерезанным нервом, в конечном итоге ответят на воздействие, так как высокий уровень приложенной силы затронет уже не только поврежденную конечность. 

Выяснилось, что контрольная группа животных реагировала на низкий уровень силы (2,69 ± 0,12 грамма), а крысы из второй группы (с перерезанным нервом) реагировали только на высокие уровни силы (14,12 ± 2,53 грамма). Крысы с поврежденным нервом, которым был имплантирован датчик, среагировали на гораздо меньшее количество силы (3,99 ± 3,54 грамма) по сравнению с крысами без датчика. Причем этот результат было сравним с результатами животных из контрольной группы.

В 2016 году американские ученые создали протез руки и нейроинтерфейс, которые позволили полностью парализованному человеку осязать предметы. В отличие от многих протезов рук он подключается не к периферическим нервам руки, а непосредственно к области коры мозга, отвечающей за тактильную чувствительность в руке. После периода адаптации и тренировок пациент обрел возможность правильно распознавать прикосновения к отдельным пальцам почти в 100 процентах случаев. По его словам, иногда ощущения напоминают действие электрического тока или давление, но в большинстве случаев он чувствует прикосновения и нажатия, близкие к естественным.