עבור אנשים עם שיתוק או קטיעה, מערכות נוירו-תותבות המעוררות באופן מלאכותי התכווצות שרירים עם זרם חשמלי יכולות לעזור להם להחזיר את תפקוד הגפיים. עם זאת, למרות שנים רבות של מחקר, סוג זה של תותב אינו נמצא בשימוש נרחב מכיוון שהוא מוביל לעייפות מהירה של השרירים ולשליטה לקויה.
חוקרי MIT פיתחו גישה חדשה שהם מקווים שיום אחד תוכל להציע שליטה טובה יותר בשרירים עם פחות עייפות. במקום להשתמש בחשמל כדי לעורר שרירים, הם השתמשו באור. במחקר בעכברים הראו החוקרים כי טכניקה אופטוגנטית זו מציעה שליטה מדויקת יותר בשרירים, יחד עם ירידה דרמטית בעייפות.
מסתבר שעל ידי שימוש באור, באמצעות אופטוגנטיקה, ניתן לשלוט בשרירים באופן טבעי יותר. במונחים של יישום קליני, סוג זה של ממשק יכול להיות בעל תועלת רחבה מאוד."
יו הר, פרופסור לאמנויות ומדעים מדיה, מנהל שותף של מרכז K. Lisa Yang לביוניקה ב-MIT, וחבר שותף במכון מקגוברן לחקר המוח של MIT.
אופטוגנטיקה היא שיטה המבוססת על הנדסה גנטית של תאים לבטא חלבונים רגישים לאור, המאפשרת לחוקרים לשלוט בפעילות של אותם תאים על ידי חשיפתם לאור. גישה זו אינה אפשרית כיום בבני אדם, אך הר, סטודנט בוגר MIT, גיירמו הררה-ארקוס, ועמיתיהם במרכז K. Lisa Yang לביוניקה עובדים כעת על דרכים לספק חלבונים רגישים לאור בצורה בטוחה ויעילה לרקמה אנושית.
הר הוא המחבר הבכיר של המחקר, המופיע היום ב מדע רובוטיקה. הררה-ארקוס הוא המחבר הראשי של המאמר.
שליטה אופטוגנטית
במשך עשרות שנים, חוקרים בחנו את השימוש בגירוי חשמלי פונקציונלי (FES) כדי לשלוט בשרירים בגוף. שיטה זו כוללת השתלת אלקטרודות המעוררות סיבי עצב, וגורמות לכיווץ שריר. עם זאת, גירוי זה נוטה להפעיל את כל השריר בבת אחת, וזו לא הדרך שבה גוף האדם שולט באופן טבעי בהתכווצות השרירים.
"לבני אדם יש את נאמנות השליטה המדהימה שמושגת על ידי גיוס טבעי של השריר, שבו מגייסות יחידות מוטוריות קטנות, לאחר מכן בגודל בינוני ואז יחידות מוטוריות גדולות, בסדר הזה, ככל שעוצמת האות גדלה", אומר הר. "עם FES, כאשר אתה מפוצץ את השריר באופן מלאכותי בחשמל, היחידות הגדולות ביותר מגויסות תחילה. לכן, ככל שאתה מגביר את האות, אתה לא מקבל כוח בהתחלה, ואז פתאום אתה מקבל יותר מדי כוח."
הכוח הגדול הזה לא רק מקשה על שליטה בשריר עדינה, הוא גם שוחק את השריר במהירות, תוך חמש או 10 דקות.
צוות MIT רצה לראות אם הם יכולים להחליף את כל הממשק הזה במשהו אחר. במקום אלקטרודות, הם החליטו לנסות לשלוט בהתכווצות השרירים באמצעות מכונות מולקולריות אופטיות באמצעות אופטוגנטיקה.
תוך שימוש בעכברים כמודל של בעלי חיים, החוקרים השוו את כמות כוח השריר שהם יכולים ליצור באמצעות גישת ה-FES המסורתית עם כוחות שנוצרו בשיטה האופטוגנטית שלהם. עבור המחקרים האופטוגנטיים, הם השתמשו בעכברים שכבר הונדסו גנטית לבטא חלבון רגיש לאור הנקרא channelrhodopsin-2. הם השתילו מקור אור קטן ליד עצב השוקה, השולט בשרירי הרגל התחתונה.
החוקרים מדדו את כוח השריר כשהם הגדילו בהדרגה את כמות הגירוי האור, ומצאו שבניגוד לגירוי FES, שליטה אופטוגנטית יצרה עלייה מתמדת והדרגתית בכיווץ השריר.
"כאשר אנו משנים את הגירוי האופטי שאנו מעבירים לעצב, אנו יכולים באופן פרופורציונלי, בצורה כמעט ליניארית, לשלוט בכוח השריר. זה דומה לאופן שבו האותות מהמוח שלנו שולטים בשרירים שלנו. בגלל זה, זה הופך קל יותר לשלוט בשריר בהשוואה לגירוי חשמלי", אומר הררה-ארקוס.
התנגדות לעייפות
באמצעות נתונים מניסויים אלה, החוקרים יצרו מודל מתמטי של שליטה אופטוגנטית בשרירים. מודל זה מתייחס לכמות האור הנכנסת למערכת לתפוקת השריר (כמה כוח נוצר).
מודל מתמטי זה אפשר לחוקרים לתכנן בקר בלולאה סגורה. בסוג זה של מערכת, הבקר מספק אות מעורר, ולאחר התכווצות השריר, חיישן יכול לזהות כמה כוח השריר מפעיל. המידע הזה נשלח בחזרה לבקר, שמחשב אם, וכמה, צריך להתאים את גירוי האור כדי להגיע לכוח הרצוי.
באמצעות בקרה מסוג זה, החוקרים מצאו שניתן לעורר את השרירים במשך יותר משעה לפני ההתעייפות, בעוד שרירים התעייפו לאחר 15 דקות בלבד באמצעות גירוי FES.
מכשול אחד שעליו עובדים כעת החוקרים להתגבר הוא כיצד להעביר בבטחה חלבונים רגישים לאור לתוך רקמה אנושית. לפני מספר שנים, המעבדה של הר דיווחה כי בחולדות, חלבונים אלו יכולים לעורר תגובה חיסונית המשביתה את החלבונים ועלולה גם להוביל לניוון שרירים ולמוות תאי.
"מטרה מרכזית של מרכז K. Lisa Yang לביוניקה היא לפתור את הבעיה הזו", אומר הר. "מתבצע מאמץ רב-כיווני לתכנן חלבונים חדשים רגישים לאור, ואסטרטגיות לספק אותם, מבלי לעורר תגובה חיסונית."
כצעדים נוספים לקראת הגעה לחולים אנושיים, המעבדה של הר עובדת גם על חיישנים חדשים שניתן להשתמש בהם למדידת כוח ואורך השרירים, כמו גם דרכים חדשות להשתלת מקור האור. אם תצליח, החוקרים מקווים שהאסטרטגיה שלהם תוכל להועיל לאנשים שחוו שבץ מוחי, קטיעת גפיים ופציעות חוט שדרה, כמו גם לאחרים שיש להם פגיעה ביכולת לשלוט בגפיים.
"זה יכול להוביל לאסטרטגיה זעיר פולשנית שתשנה את המשחק במונחים של טיפול קליני באנשים הסובלים מפתולוגיה של הגפיים", אומר הר.
המחקר מומן על ידי מרכז K. Lisa Yang לביוניקה ב-MIT.
