Изучение природы нервного импульса было связано с особыми трудностями, так как при прохождении импульса по нерву никаких видимых изменений не происходит. Лишь недавно, с развитием микрохимических методов, удалось показать, что во время проведения импульса нерв расходует больше энергии, потребляет больше кислорода и выделяет больше углекислоты, чем в состоянии покоя. Это указывает на то, что в проведении импульса, в восстановлении исходного состояния после проведения или в обоих этих процессах участвуют окислительные реакции.
Носитель такого протеза переместил бы искусственную руку и почувствовал бы ее, как если бы она была собственной. Авторы разработали «переходную штепсельную вилку», которая преобразует нервные импульсы в электрические сигналы и наоборот. 4 Это состоит из лабораторных нервных волокон и электропроводящих полимеров. Однако даже с очень продвинутыми протезами простейшие задачи оказываются чрезвычайно сложными, поскольку отсутствует сенсорная обратная связь. Ампутант не может полагаться на естественное чувство проприоцепции, но должен следить за каждым небольшим движением своего протеза и сознательно контролировать его.
Когда примерно 100 лет назад было установлено, что нервный импульс сопровождается определенными электрическими явлениями, возникло мнение, что сам импульс представляет собой электрический ток. В то время было известно, что электрический ток распространяется очень быстро, и поэтому высказывалось мнение, что скорость распространения нервного импульса слишком велика, чтобы ее можно было измерить. Десять лет спустя Гельмгольц измерил скорость проведения импульса, раздражая нерв, идущий к мышце, на различных расстояниях от мышцы и измеряя время, протекавшее между раздражением и сокращением. Таким способом он показал, что нервный импульс распространяется гораздо медленнее электрического - в нервах лягушки со скоростью около 30 м/сек. Это, конечно, свидетельствовало о том, что нервный импульс не есть электрический ток, подобный току в медном проводе. Кроме того, мертвый или раздавленный нерв все еще проводит ток, но не проводит нервных импульсов, и, раздражаем ли мы нерв током, прикосновением, приложением тепла или химическими факторами, возникающий при этом импульс распространяв "я со скоростью одного и того же порядка. Из этого мы заключаем, что нервный импульс представляет собой не электрический ток, а электрохимическое возмущение в нервном волокне. Вызванное раздражителем возмущение в одном участке нервного волокна вызывает такое же возмущение в соседнем участке и так далее до тех пор, пока импульс не дойдет до конца волокна. Таким образом, передача импульса подобна горению бикфордова шнура: от теплоты, выделяющейся при горении одного участка шнура, загорается следующий участок и т. д. В нерве роль теплоты выполняют электрические явления, которые, возникнув в одном участке, стимулируют следующий.
Он преуспевает только очень медленно и неловко. Застежка рубашки уже требует своей концентрации до истощения. Поэтому крайне важно, чтобы интерфейс между нервной системой и протезом работал в обоих направлениях, т.е. позволял обмениваться моторной и сенсорной информацией. Такая протезная рука была бы не только интуитивной, чистой силой мысли, контролируемой, но и чувством «реальной». Несколько научно-исследовательских институтов, в том числе и наша, в настоящее время преследуют эту амбициозную цель с различными подходами, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки.
Передача нервного импульса сходна с горением бикфордова шнура и в некоторых других отношениях. Скорость горения шнура не зависит от количества тепла, затраченного при его зажигании, если только этого тепла достаточно, чтобы шнур загорелся. Не имеет значения и метод зажигания. Так же обстоит дело и с нервом. Нерв не будет реагировать, пока к нему не будет приложено раздражение определенной минимальной силы, но дальнейшее увеличение силы раздражения не заставит импульс распространяться быстрее. Это обусловлено тем, что энергию для проведения импульса доставляет сам нерв, а не раздражитель. Описанное явление отражено в законе «все или ничего»: нервный импульс не зависит от природы и силы вызвавшего его раздражителя, если только раздражитель обладает достаточной силой, чтобы вызвать появление импульса. Хотя скорость проведения не зависит от силы раздражителя, она зависит от состояния нервного волокна, и различные вещества могут замедлять передачу импульса или делать ее невозможной.
Предположительно, в конце концов, успешный продукт возьмет что-то от всех - и, кроме того, потребует технологических инноваций. Первое фундаментальное решение касается положения точки соединения в нервной системе. Существуют два основных варианта: центральная нервная система головного и спинного мозга или периферическая нервная система, а точнее, нерв, который исходит из спинного мозга и поставляет руку для замены в здоровые времена.
До сих пор большинство ученых выбирали мозг в качестве источника сигнала. В одном из проектов его активность регистрируется электродами, прикрепленными к скальпу или непосредственно под черепом на самой поверхности мозга. Компьютер анализирует сигналы и преобразует их в нужные команды движения. Преимущество этих методов заключается в том, что они не мешают самому мозгу. Однако записанный сигнал часто нарушается электрическими устройствами в окружающей среде, и, кроме того, это очень точно отражает активность мозга.
Сгоревший шнур нельзя использовать вторично, нервное же волокно способно восстанавливать свое исходное состояние и передавать другие импульсы. Оно, однако, не может проводить их непрерывно: после проведения одного импульса проходит определенное время, прежде чем волокно сможет передавать второй импульс. Этот промежуток времени, называемый рефрактерным периодом, продолжается от 0,0005 до 0,002 сек. В это время происходят химические и физические изменения, в результате которых волокно возвращается в первоначальное состояние.
Соответственно, программе анализа сложно определить, какое движение предназначено. Однако в наиболее инвазивной технике ряды микроэлектродов имплантируются непосредственно в кору головного мозга. Это, как правило, кремниевые зонды высокой плотности, каждый из которых тоньше человеческого волоса. Такая прямая связь дает огромное преимущество в том, что она обеспечивает очень точные и богатые данные вплоть до активности отдельных нервных клеток. Протез можно было контролировать соответствующим образом.
Связи с мозгом - более или менее инвазивные - уже проходят испытания на десятках людей. Женщина, парализованная от удара, научилась с помощью своих собственных мыслей, чтобы точно так же вести свою руку робота, чтобы она могла пить кофе из чашки. В обоих случаях электроды, которые регистрируют нейронные сигналы, подключены к проводам, выходящим из тюбетейка. Мощный компьютер анализирует входящие сигналы и превращает их в команды роботу. В конечном счете, ученые надеются, что смогут передавать информацию по беспроводной сети, чтобы пациент не мог подключаться к компьютеру, чтобы иметь возможность перемещать протез руки.
Насколько нам известно, импульсы, передаваемые нейронами всех типов - двигательными, чувствительными или вставочными, в основном сходны между собой. То, что один
импульс вызывает ощущение света, другой - ощущение звука, третий - мышечное сокращение, а четвертый стимулирует секреторную деятельность железы, всецело зависит от природы тех структур, к которым приходят импульсы, а не от каких-либо особенностей самих импульсов.
Еще лучше будет маленький компьютер, который можно носить на теле или даже под кожей - но, к сожалению, производительности доступных в настоящее время устройств недостаточно. Протез будущего связан с нервными волокнами пациента прямым электрическим соединением.
Другим недостатком является то, что мозговая ткань борется с проникающими электродами как инородное тело и реагирует с воспалением, что в конечном итоге приводит к образованию рубцовой ткани. В результате электрод ошеломлен: принятые сигналы становятся слабее, а количество нервных клеток, которые могут быть слышны, со временем экспоненциально уменьшается. Сообщается, что у некоторых пациентов электроды передают сигналы от одного или нескольких нейронов через несколько лет после имплантации, но эти случаи являются исключением.
Хотя нервное волокно можно стимулировать в любой его точке, в нормальных условиях возбуждение вызывается только на одном его конце, от которого импульс идет вдоль волокна до его другого конца1. Соединение между последовательными нейронами называется синапсом. Нервный импульс передается с кончика аксона одного нейрона на дендрит следующего через синаптическое соединение путем выделения у кончика аксона определенного вещества. Это вещество вызывает появление нервного импульса в дендрите следующего аксона. Передача возбуждения через синапс происходит значительно медленнее, чем передача его по нерву. В нормальных условиях импульсы проходят только в одном направлении: в чувствительных нейронах они идут от органов чувств к спинному и головному мозгу, а в двигательных - от головного и спинного мозга к мышцам и железам. Направление определяется синапсом, так как только кончик аксона способен выделять вещество, стимулирующее другой нейрон. Каждое отдельное нервное волокно может проводить импульс в обоих направлениях; при электрическом раздражении волокна где-либо в середине возникают два импульса, один из которых идет в одном направлении, а другой - в другом (эти импульсы можно обнаружить соответствующими электрическими приборами),. но лишь тот из них, который идет по направлению к кончику аксона, может стимулировать следующий нейрон в цепи. Импульс, идущий к дендриту, «остановится», достигнув его конца.
Исследователи теперь ищут способы минимизировать сильный иммунный ответ организма на посторонние объекты в мозге. Учитывая эти значительные трудности, мы предпочли использовать периферическую нервную систему. В отличие от центральной нервной системы, которая состоит из до 100 миллиардов нервных клеток, она должна здесь, в основном, с отдельными волокнами, аксонами, которые соединяются в нервы. Аксоны имеют до 1 метра длинные процессы нервных клеток, которые передают электрические сигналы.
Некоторые периферические нервные волокна бегут от спинного мозга к мышцам; С их помощью мозг контролирует наши движения - через спинной мозг. Другие передают восприятие, такое как пространственное положение части тела, температура или контакт оттуда к спинному мозгу, который передает его в мозг.
Химические и электрические процессы, с которыми связана передача нервного импульса, во многом сходны с процессами, происходящими при мышечном сокращении. Но проводящий импульсы нерв расходует очень мало энергии по сравнению с сокращающейся мышцей; теплота, образующаяся при раздражении нерва в течение 1 мин, в расчете на 1 г ткани эквивалентна энергии, выделяющейся при окислении 0,000001 г гликогена. Это " означает, что если бы нерв содержал в качестве источника энергии лишь 1% гликогена, его можно было бы стимулировать непрерывно в течение недели и запас гликогена не был бы исчерпан. При достаточном снабжении кислородом нервные волокна практически неутомляемы. Какова бы ни была природа «умственного утомления», это не может быть настоящим утомлением нервных волокон. Ссылки по теме
Поскольку отрезанные сенсорные нервы часто продолжают раздавать сигналы после ампутации, многие люди с ампутацией чувствуют, что их недостающая конечность все еще существует - фантомная боль. Если бы можно было связать эти дефлаграционные сенсорные аксоны с протезом, который дает сильные сигналы, мозг легко интерпретирует их как исходящие из предплечья, руки или пальца.
Аналогично, двигательные аксоны периферической нервной системы все еще способны контролировать движения. Поскольку мозг может собирать эти различные двигательные сигналы в упорядоченные движения, он, естественно, перемещает правильно соединенный протез.
Нейроны
У высших животных нервные клетки образуют органы центральной нервной системы (ЦНС) - головной и спинной мозг — и периферической нервной системы (ПНС), которая включает в себя нервы и их отростки, соединяющие ЦНС с мышцами, железами и рецепторами.Структура
Нервные клетки не воспроизводятся митозом (делением клеток). Нейроны называют амитотическими клетками - если они разрушены, они уже не восстановятся. Ганглии — это пучки нервных клеток вне ЦНС. Все нейроны состоят из перечисленных ниже элементов.Тело клетки . Это ядро и цитоплазма.
Сокращенный периферийный аксон может даже снова расти, но только в том случае, если есть структура цели, с которой он может контактировать. Однако металлическая проволока не могла играть эту роль, не говоря уже о нападении на иммунную систему, а также на электрод, имплантированный в мозг.
Тодд Куйкен из Северо-Западного университета в Чикаго и его команда успешно проверили умный способ решения этой проблемы для добровольцев: они используют грудные мышцы как «живые мосты» между пнем и электрическим соединением протеза. Во-первых, ученые режут двигательные нервы на некоторые поверхностные мышцы грудной клетки, так что они больше не могут получать конкурирующие сигналы от мозга. Затем они тщательно перенаправляют моторные аксоны, которые первоначально бежали от спинного мозга к теперь разделенной части руки, так что теперь они иннервируют предварительно подготовленные грудные мышцы - процесс роста, который завершается в течение нескольких недель.
Аксон. Это длинный, тонкий отросток, который передает информацию от тела клетки к другим кяеткам через соединения, называемые синапсами. Некоторые аксоны имеют длину меньше сантиметра, а другие — более 90 см. Большинство аксонов находятся в защитном веществе, называемом миелиновой оболочкой, которая помогает ускорить процесс передачи нервных импульсов. Сужения на аксоне через определенный промежуток называются перехватами Ранвье.
Команды мозга, которые на самом деле направлены на мышцы несуществующей руки, теперь перемещаются в сундук, заставляя мышцы сжиматься. Там исследователи ставят электроды на кожу. Они регистрируют электрическую активность отдельных мышц и, таким образом, опосредованно сигналы, поступающие из мозга. После нескольких недель обучения пациент может переместить свой протез «с силой мысли». Например, думая обхватить чашку, он вызывает особый узор мышц, подергивающихся в груди. Со своей стороны, по пути по электродам, размещенным там, электроника в протезе указывает на изгиб пальцев искусственной руки.
Дендриты. Это сеть коротких волокон, которые отходят от аксона или тела клетки и соединяют концы аксонов от других нейронов. Дендриты получают информацию для клетки, получая и проводя сигналы. У каждого нейрона могут быть сотни дендритов.
Структура нейрона
Функции
Нейроны контактируют друг с другом электрохимическим способом, передавая импульсы по всему телу.Миелиновая оболочка
. Шванновские клетки обвивают спиралью один или более аксонов (а) , образуя миелиновую оболочку.. Она состоит из нескольких слоев (возможно, 50-100) плазматических мембран (б) , между которыми циркулирует жидкая цитозоль (цитоплазма, лишенная ипохондрий и др. элементов эндоплазматической сети), за исключением самого верхнего слоя (в) .
. Миелиновая оболочка вокруг длинного аксона разделена на сегменты, каждый из которых образован отдельной Шванновской клеткой.
. Соседние сегменты разделены сужениями, называемым перехватами Ранвье (г) , где аксон не имеет миелиновой оболочки.
Куйкен и его группа теперь применили эту «целенаправленную мышечную реиннервацию» к десяткам ампутантов. Можете ли вы достичь тонких моторных навыков в реальной руке, пока не видно. Мы считаем, что эта амбициозная цель в конечном счете требует другой формы связи между живой тканью и протезом. К счастью, режущий нерв не ограничивается мышцей в качестве цели для ее роста. Он также растет к другим нервам и принимает их даже при пересадке. Мы решили изучить эту возможность примерно шесть лет назад: вместо мышц трансплантированные нервные волокна должны выступать в качестве медиаторов между разорванными аксонами в пне и электрическим контролем протеза.
Нервные импульсы
У высших животных сигналы посылаются по всему телу и от головного мозга в виде электрических импульсов, передаваемых через нервы. Нервы создают импульсы, когда происходит физическое, химическое или электрическое изменение мембраны клетки.1 Покоящийся нейрон
Покоящийся нейрон имеет отрицательный заряд внутри мембраны клетки (а) и позитивный заряд вне этой мембраны (б). Такое явление называется остаточным потенциалом мембраны.Он поддерживается двумя факторами:
Чтобы создать такой нейронный мост, сначала нужно заставить нервные волокна в клеточной культуре расти в длину. Один из нас разработал метод растяжения, который использует естественную способность нервов расти вместе с окружающими тканями. Крайний случай - это аксоны спинного мозга голубого кита, которые растут до трех дюймов в день и могут составлять до 30 метров в длину.
Создание «живого моста» между периферической нервной системой человека и протезом требует нескольких шагов. Первоначально ученые в лаборатории выращивают разведенные нервы, чтобы вырасти в электропроводящие пучки полимерных волокон. Затем они осторожно вытягивают нейроны и растягивают свои аксоны таким образом. Мост, построенный таким образом, снабжен нервным окончанием к срезающему нерву. Затем он растет вдоль моста и соприкасается с полимерными волокнами, благодаря чему сигналы поступают из мозга, спинного мозга и соединения к протезу и обратно.
Различная проницаемость клеточной мембраны для ионов натрия и калия, у которых одинаковый положительный заряд. Натрий диффузирует (проходит) в клетку медленнее, чем калий выходит из нее.
Обмен натрий-калий, при котором из клетки выходит больше положительных ионов, чем входит в нее. В результате вне клеточной мембраны скапливается большая часть положительных ионов, чем внутри нее.
По существу, мы применяем культуру нервных клеток к двум носителям, которые затем постепенно раздвигаются. Таким образом, аксоны, которые первоначально лежат на обеих балках, находятся под напряжением; этот стимул заставляет их расти в обоих направлениях. В разработанных нами специальных устройствах «удлинители аксонов» пучки аксонов доводят его до скорости роста в один сантиметр в день и длиной до десяти сантиметров, которая ранее была недостижима в экспериментах. это значение, вероятно, даже выше.
Проводящий полимер вместо медной проволоки
Эти растянутые аксоны нашли одно из своих первых применений в качестве «живого моста» или, точнее, «проводника», буквально, чтобы указать правильный путь роста периферических нервов, который был разорван травмой или хирургическим вмешательством. Когда мы имплантировали такие аксоны у крыс с одним концом вблизи места, где был отрезан нерв, он рос вдоль направляющей - в некоторых случаях до такой степени, что нерв полностью восстанавливался, и крысы могли перемещать ранее парализованную часть тела.
2 Стимулированный нейрон
Кода нейрон стимулируется, проницаемость какого-либо участка (в) клеточной мембраны изменяется. Положительные ионы натрия (г) начинают проникать в клетку быстрее, чем в покоящемся положении, что приводит к повышению положительного потенциала внутри клетки. Это явление называется деполяризацией.3 Нервный импульс
Деполяризация постепенно распространяется на всю клеточную мембрану (д). Постепенно заряды по сторонам клеточной мембраны меняются (не некоторое время). Это явление называется обратной поляризацией. Это и есть, по сути, нервный импульс, передающийся вдоль клеточной мембраны нервной клетки.4 Реполяризация
Проницаемость клеточной мембраны снова меняется. Положительные ионы натрия (Na+) начинают выходит из клетки (е). Наконец, вне клетки снова образуется положительный заряд, а внутри нее - положительный. Этот процесс называется реполяризацией.
Мы также обнаружили, что наши нейронные мосты все еще присутствовали по крайней мере через четыре месяца после трансплантации. Они не были поглощены и не вызвали иммунную реакцию. Затем мы проверим технику на свиней. И если эти эксперименты также будут успешными, мы проведем исследования людей со свежими травмами нерва.
Таким образом, после того, как нам удалось значительно сократить режущий аксон в направлении, которое мы выбрали, мы попытались построить гораздо более сложный мост: нерв должен был превратиться в электрическое соединение, которое затем будет связано с протезом. Для этого нам пришлось найти электропроводящий материал в виде очень тонкой нити, которая не воспринимается как чужой иммунной системе организма и отталкивается. После некоторых экспериментов мы выбрали класс полимеров; Их наиболее известным представителем является полианилин, азотсодержащее органическое вещество.
