Всего одна субпопуляция нейронов помогла пациентам начать ходить после паралича

Работа лишь одной субпопуляции нейронов спинного мозга помогла пациентам с параличом снова двигаться. Для терапии травм спинного мозга авторы статьи, опубликованной в Nature, использовали электростимуляцию клеток поясничного отдела. Оказалось, что в основе эффекта этой терапии лежит активация одной субпопуляции клеток — интернейронов SC^Vsx2::Hoxa10, которые даже не участвовали в ходьбе до паралича.

Нейроны, которые управляют ходьбой, расположены в поясничном отделе спинного мозга – они передают сигналы из ствола головного мозга мышцам, заставляя их сокращаться. Травмы спинного мозга нарушают эту сложную сеть нейронных связей и могут вызвать паралич и полную неспособность передвигаться. 

Недавние исследования показали, что восстановить движения после травмы спинного мозга способна эпидуральная электрическая стимуляция — для такой терапии пациентам вживляют в спинной мозг небольшой генератор электрических импульсов, направляющий сигнал в задние корешки поясничного отдела спинного мозга. Стимуляция позволяет немедленно восстановить функцию двигательных сетей и позволяет пациентам вновь ходить. Однако биологические принципы, по которым работает такая терапия до сих пор не исследованы.

Ученые из Федеральной политехнической школы Лозанны под руководством Клаудии Кате (Claudia Kathe) предположили, что электростимуляция воздействует на еще неисследованные нейроны, которые начинают участвовать в ходьбе лишь при восстановлении от паралича. Эту гипотезу поддержали и данные, полученные учеными — в клиническом испытании терапии нейронная активность в поясничных сегментах спинного мозга падала, а не возрастала. Это позволило предположить, что восстановлением активности после паралича занимается другая группа нейронов, которая не выполняет рутинную двигательную функцию.

Чтобы проверить эту гипотезу, исследователи создали мышиную модель травмы спинного мозга, а также и терапевтическую систему стимуляции и механической поддержки веса тела при ходьбе. Чтобы исследовать, как нейроны мышей реагируют на терапию, ученые создали целый атлас клеток, основанный на экспрессии их генов и расположении в спинном мозге. Для этого биологи использовали секвенирование РНК в каждом из ядер клеток отдельно (snRNA-seq) и нанесли результаты секвенирования на проекцию спинного мозга. Так удалось выделить 36 субпопуляций, основанных на работе маркерных генов.

Чтобы выделить ту субпопуляцию, которую исследователи искали (принимающую участие в реабилитации), биологи использовали метод приоритезации. Алгоритм машинного обучения Augur выделил в построенном атласе те нейроны, экспрессия которых больше всего менялась при реабилитации. Оказалось, что есть группа нейронов, которая меняет свою экспрессию в ответ на все параметры терапии. Эти клетки экспрессировали маркеры Vsx2 и Hoxa10 и принадлежали к группе возбуждающих интернейронов. Их назвали по этим генам и происхождению из спинного мозга (spinal cord) – SC^Vsx2::Hoxa10.

Далее исследователи проверили, действительно ли эти клетки принимают участие в рутинной ходьбе до травмы и в самом процессе реабилитации. Для этого в обоих случаях активность клеток искусственно подавили и проверили, как это повлияло на движения. Оказалось, что эта субпопуляция не нужна для ходьбы здорового организма — ее отключение не повлияло на нее. А вот для восстановления при терапии электростимуляцией клетки SC^Vsx2::Hoxa10 оказались критически важны.

Паралич может затруднять не только передвижение, но и общение пациентов с близкими. Чтобы помочь таким людям, исследователи недавно создали модель, которая способна преобразовывать активность мозга в слова — сейчас она знает 1152 слова.