Что мы узнаем о мозге благодаря трансплантации рук – Мир Знаний
Loading Posts...

Что мы узнаем о мозге благодаря трансплантации рук

В феврале 1964 г. Роберто Жильберт Элисальде (Roberto Gilbert Elizalde), хирург из Гуаякиля (Эквадор), обученный в Клинике Майо, нашел идеального кандидата для проведения смелой процедуры, которая разрабатывалась в его лаборатории. Хулио Луна (Julio Luna) был 28-летним моряком, потерявшим правую руку при взрыве гранаты. Жильберт Элисальде, воодушевленный историей про успешную трансплантацию почки от трупа в США, решил снабдить Луну донорской конечностью.

Жильберт Элисальде и его команда за де- вять долгих часов подготовили поврежденную конечность Луны и умело соединили его кости, сухожилия, кровеносные сосуды, мышцы и кожу с предплечьем рабочего, умершего от кровотечения из-за язвы желудка. Используя недавно разработанные методы микрохирургии, медики скрепили друг с другом тонкие, имеющие форму трубки пучки нервных оболочек, надеясь, что это направит рост чувствительных и двигательных нервов в поврежденной руке и в последующие месяцы иннервация кисти будет восстановлена.

Измученная команда наблюдала, как после снятия хирургических зажимов кровь Луны наполнила жизнью его новую бледную руку. Посыпались поздравительные междугородние звонки. Новость попала в New York Times под заголовком «Пересадка руки от мертвеца». Кисть стала одной из первых трансплантированных частей человеческого тела, после почки и роговицы. Это было очень рискованное предприятие. «Несколько опрошенных вчера специалистов считают, что шансы на окончательный успех малы», — сообщала газета Times. В первую неделю казалось, что скептики неправы. Когда Луна напряг мышцы предплечья, сухожилия на новой руке согнули пальцы. Врачи дали Луне ранний иммунодепрессант азатиоприн, чтобы его организм не отторгал чужеродную конечность. Однако на второй неделе стало ясно, что этого иммунодепрессанта недостаточно. Когда появились признаки гангрены, Луну отправили самолетом в Бостон, но и там отчаянные попытки спасти руку не увенчались успехом. Через 23 дня после пересадки кисть ампутировали.

В медицинском сообществе проведенную Жильбертом Элисальде рискованную операцию и хвалили, и осуждали. Критики называли эту процедуру неэтичной, опасной и неоправданной, поскольку она проводилась не для спасения жизни. Некоторые эксперты и сегодня придерживаются такой позиции по отношению к трансплантации кисти. Прошло еще три десятилетия, прежде чем удалось вновь вернуться к теме пересадки руки. За это время изменились хирургические методы, а разработка более эффективных иммунодепрессантов (циклоспорин, а затем рапамицин и такролимус позволила сделать трансплантацию некоторых цельных органов, таких как почки, печень и сердце, почти обычной процедурой. К 1990-м гг. благодаря мощным фармакологическим препаратам возродилась надежда, что удастся предотвратить отторжение трансплантатов, состоящих из тканей разных типов — из мышц, кожи, костей, нервов и сосудов. Появилась композитная аллотрансплантация. В 1998 г. команда из Франции провела вторую в истории трансплантацию кисти, а вскоре за ней последовала группа из луисвилльского Еврейского госпиталя в Кентукки. Мэттью Скотт (Matthew Scott), получивший руку в результате этой третьей операции, вскоре отметит 22-ю годовщину успешной трансплантации.

Тем не менее пересадка кистей рук остается экспериментальной процедурой и в некоторых кругах ее считают спорной. Во всем мире такую трансплантацию выполнили всего лишь около 100 раз. В отличие от пересадки других органов трансплантация кисти не спасает жизнь. Получающие кисть пациенты подвергаются серьезной операции с последующим длительным восстановлением и необходимостью интенсивной реабилитации. Им необходимо пожизненно применять иммунодепрессанты, которые могут плохо влиять на внутренние органы и повышать риск развития некоторых форм рака, инфекций и других заболеваний. Через 12 лет после трансплантации Дэвид Сэвидж (David Savage), о котором я дальше расскажу подробнее, умер от рака, который, возможно, был связан с иммунодепрессантами.

Так почему бы просто не воспользоваться протезами? Когда я задал этот вопрос пережившему трансплантацию кисти Эрику Хондуски (Erik Hondusky), он ответил просто: «Это мир двуруких». Такое высказывание отражает ощущения и других получателей трансплантата кисти, которые тоже говорили о недовольстве протезом и сильном желании снова почувствовать себя целыми. Протезы — нечувствительные орудия, вы не можете с их помощью ощутить касание паутины, или маленькие выпуклости, отмечающие на клавиатуре буквы F и J, или небольшие изменения температуры чашки с кофе. К сожалению, у Эрика развилась стафилококковая инфекция и спустя девять лет после трансплантации кисть пришлось ампутировать. Протез он использует неохотно, только во время езды на мотоцикле.

У применения протезов есть свои проблемы. Несмотря на значительные технологические достижения, многие люди с ампутированными конечностями предпочитают не пользоваться кистевыми протезами. Кристина Кауфман (Christina Kaufman) из Луисвилля, с которой мы давно сотрудничаем, отмечает, что в целом в области операций по пересадке рук и предотвращения их отторжения достигнуты впечатляющие результаты: примерно в 80% случаев кисть сохраняется по крайней мере в течение пяти лет. По мере совершенствования методов подбора иммунологически совместимых доноров и реципиентов это значение будет расти, как и число трансплантаций. Соответственно, успешной считается уже не просто та трансплантация, после которой не было отторжения. Все чаще успех определяется тем, насколько люди после пересадки смогут использовать свои руки. А это именно то, чем занимается наука о мозге.

Читать:  Второе пришествие генной терапии

Ампутация и мозг

Мой интерес к тому, как мозг управляет руками, появился очень рано, когда я наблюдал, как моя мать пытается справиться с повседневными задачами, несмотря на наличие рассеянного склероза — болезни, при которой собственная иммунная система разрушает миелиновую оболочку нейронов в головном и спинном мозге. У меня остались яркие воспоминания о ее недействующих руках, утрате равновесия, мышечной слабости и спазмах, и это побудило меня заняться выяснением того, как мозг управляет руками. Значительная часть нашего мозга занимается планированием и контролем движений рук. Вот уже более 20 лет в моей лаборатории исследуется данная тема. Мы изучаем нейронные механизмы движений рук с помощью функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ): такой метод позволяет неинвазивно наблюдать работу мозга, отслеживая локальные колебания кровотока и уровня оксигенации, связанные с изменениями нейронной активности в этих участках.

На практике фМРТ работает следующим образом. Представьте себе, что вы добровольно участвуете в обычном (и мучительно скучном) эксперименте с ФМРТ, в котором чередуются периоды постукивания пальцами с периодами отдыха. При движении пальцев правой руки в популяции специализированных нейронов в отвечающем за кисть участке левой моторной коры (каждое полушарие мозга контролирует движения и обрабатывает ощущения противоположной стороны тела) возникают поступающие вниз импульсы — потенциалы действия. Такие сигналы проходят через подкорковые структуры головного мозга и идут вниз по спинному мозгу, а затем передаются периферическим двигательным нервам, которые вызывают сокращение соответствующих мышц в ваших правых предплечье и кисти. Специализированные рецепторы в коже, сухожилиях и суставах стимулируются при движении пальцев и обеспечивают обратную связь, посылая сигналы по чувствительным нейронам в спинной мозг. Там по восходящим путям импульсы передаются через подкорковые структуры в отвечающий за кисть участок левой соматосенсорной коры, которая обрабатывает поступающую сенсорную информацию.

Во время всех этих процессов потребляется энергия. За доли секунды крошечные капилляры расширяются и насыщают более активные участки вашего мозга кровью, богатой кислородом, соединенным с гемоглобином. Сопровождающие нейронную активность изменения локальной концентрации кислорода в крови влияют на магнитное поле во время выполнения фМРТ. Не связанный с кислородом гемоглобин ведет себя как парамагнетик, втягиваясь в магнитное поле, а насыщенный кислородом гемоглобин — диамагнетик, он слабо отталкивается. Данные эффекты создают сигнал, зависящий от уровня кислорода в крови, который отражает интенсивность нейронной активности и может быть зарегистрирован. Во время эксперимента с постукиванием мизинцем связанные с кистью области в сенсорной и моторной коре левого полушария будут светиться на мониторе томографа.

С помощью фМРТ можно обнаружить такую мозговую активность и у некоторых людей с ампутированными кистями. Многие пережившие ампутацию испытывают сильные иллюзорные ощущения «фантомной конечности», чувство, что ампутированная конечность все еще существует. Если исследователь просит такого человека пошевелить фантомными пальцами, фМРТ показывает повышенную активность в областях, которые раньше были связаны с кистью. Это значит, что по крайней мере у некоторых людей после ампутации мозг сохраняет представление об ампутированной руке, даже несмотря на то что физически ее больше не существует. Однако на самом деле все гораздо сложнее.

Десятилетиями в фундаментальных биологических исследованиях на животных собирались доказательства, что организация коры головного мозга сильно изменяется, если в результате повреждения периферических нервов нарушается связь с конечностью. То есть локализация сенсорных и моторных функций в коре зависит от стимуляции. Отчасти это верно и для людей. Когда переживший ампутацию человек выполняет задачу с помощью оставшейся руки, у него отмечается повышенная активность в сенсорных и моторных зонах коры, которые ранее были связаны с отсутствующей рукой. Такое вовлечение ранее связанных с кистью участков происходит в дополнение к обычной активности в зонах, связанных со здоровой рукой. Аналогично в некоторых исследованиях с использованием нейровизуализации показано, что при движениях губ может также усиливаться активность участков коры, которые ранее были связаны с ампутированной рукой.

Благодаря этим аспектам трансплантация кисти представляет большой интерес для исследователей мозга. Сохраняет ли мозг взрослого человека спустя годы и даже десятилетия после ампутации достаточную пластичность в зонах, отвечавших за утраченную кисть, чтобы взять на себя контроль над рукой после трансплантации? Ответ на этот вопрос может иметь большое значение, от него зависит возможность восстановления функций после повреждений тела, спинного или даже головного мозга.

Восстановление головного мозга

Я занялся изучением данной проблемы, когда Дэвид Сэвидж со своей женой Карен приехал ко мне в лабораторию, расположенную тогда в Орегонском университете, всего через четыре месяца после того как ему пересадили руку в Еврейском госпитале в Луисвилле. Это был уникальный шанс проверить возможности восстановления нервных связей после трансплантации. Сэвидж потерял правую руку еще в молодости, в результате несчастного случая в магазине, и до трансплантации почти 35 лет прожил без кисти. Пока мы разговаривали, Дэвид отстегнул липучки, которые удерживали съемный фиксатор, и начал невозмутимо сгибать и разгибать пальцы своей новой руки. Увидев изумление на моем лице, он улыбнулся, взял мою ручку и написал в моем блокноте свое имя. Сразу стало ясно, что мне предстоит еще многое узнать.

Читать:  Высшее образование защищает от инфаркта

Прежде чем обсудить потрясающие результаты Сэвиджа, нам придется ненадолго отвлечься и поговорить о работе периферических нервов в кисти и предплечье. В отличие от головного и спинного мозга периферические нервы после повреждения могут отрастать. Причем отрастают они поразительно быстро — со скоростью до 2 мм в день. Опытный микрохирург подготавливает пациента к такой регенерации, аккуратно выделяя пучки различных нервов и затем тщательно сшивая их с соответствующими пучками в донорской руке. Пучки состоят из оболочек, окружающих множество микроскопических аксонов — тонких отростков, идущих от тел отдельных нейронов, это похоже на оболочки вокруг многочисленных разноцветных телефонных проводов, которые можно увидеть там, где идет строительство. После того как пучки были соединены хирургически, они направляют прорастающие аксоны двигательных нейронов к мышцам кисти и там образуется нервно-мышечное соединение. Точно так же нервные отростки, посылающие сенсорные сигналы в мозг, соединяются с кожей, сухожилиями и суставами. Там чувствительные нейроны образуют специальные рецепторы, реагирующие на изменения давления, вибрацию и температуру. Процесс прорастания периферических нервов обратно в конечность и восстановления чувствительности называется реиннервацией.

Но даже талантливый микрохирург не может проконтролировать, куда именно в донорскую руку прорастут отростки периферических нервов. Поэтому возникающие в итоге ошибки реиннервации осложняют восстановление функций кисти. В предплечье Сэвиджа регенерирующие сенсорные нервы медленно прорастали вдоль соединенных пучков. По пути некоторые отростки отклонялись и начинали иннервировать участки кожи на его новой ладони, образуя многочисленные веточки, заканчивающиеся крошечными рецепторами. Мы знаем об этом, потому что на раннем этапе восстановления Сэвидж мог уловить легкое прикосновение к основанию большого пальца и определить место касания, хотя остальная часть его руки все еще была лишена чувствительности. Его мозг получал информацию от периферических нервов, которые до этого в последний раз передавали сенсорные сигналы от руки более 30 лет назад. Теперь же импульсы поступали от специализированных рецепторов, которые образовались недавно и в совершенно другой руке.

Из-за ошибок реиннервации у Сэвиджа могли возникнуть сложности, но его мозг был способен это компенсировать. Сенсорный нерв в предплечье, который раньше получал сигналы от участка кожи, расположенного, например, у основания большого пальца в собственной кисти, теперь мог передавать сигналы от совершенно другого участка ладони пересаженной руки. Однако мозг Сэвиджа каким-то образом за короткий промежуток времени научился правильно интерпретировать новую информацию, и когда я касался его ладони, он ощущал сигнал оттуда, а не от большого пальца. Его ощущения были еще не совсем точными, но это все равно потрясало с учетом того обстоятельства, что до недавнего времени Сэвидж больше 30 лет жил без руки. Как именно мозг решает подобную задачу, остается неясным. У нас есть рабочая гипотеза, что благодаря многократному сочетанию зрительной и тактильной обратной связи, когда человек, используя руку, видит ее и ощущает прикосновение, мозг учится исправлять ошибку реиннервации.

Соответствующая область сенсорной коры Сэвиджа как будто ждала все это время возможности снова обработать сигналы, идущие от кисти, и бурно отреагировала, когда я осторожно коснулся ладони его пересаженной руки во время выполнения фМРТ‑сканирования. Однако это не означает, что реорганизация, произошедшая после ампутации, теперь полностью завершилась. Как и у других людей с ампутированными конечностями, прикосновение к ладони неповрежденной левой руки Сэвиджа вызывало ответ в том же участке соматосенсорной коры. Но он никогда не проявлял признаков неуверенности в том, приходят ли эти ощущения от его оставшейся или от пересаженной руки.

Дэвид Сэвидж в итоге скончался от рака, однако в других случаях пересаженная кисть может сохраняться десятилетиями без каких-либо явных последствий. Мэттью Скотт, первый, кому пересадили руку в Луисвилле, живет со своей пересаженной кистью уже более 21 года, и это пока рекорд длительности. Потеряв ведущую левую руку в 20-летнем возрасте в результате несчастного случая с фейерверком, он 13 лет прожил без руки. Мэтт приехал к нам в 2008 г., через девять с половиной лет после трансплантации. Чувствительность уже давно восстановилась во всей кисти, следовательно, регенерация сенсорных волокон была завершена. Он определял место прикосновения в любом участке своей новой руки, причем лишь на несколько миллиметров менее точно, чем при касании его родной руки. Мы создали управляемую с помощью компьютера установку для стимуляции кончиков пальцев во время проведения фМРТ и выявили конкретные участки в соматосенсорной коре, куда поступали сигналы от каждого пальца.

Читать:  Обычная еда, которая убивает

Хотя я склоняюсь к мысли, что организация соматосенсорной коры Скотта вернулась к своему исходному состоянию, которое было до ампутации, точно это неизвестно. У нас нет сведений о его мозге до ампутации, и мы знаем, что у людей существуют небольшие различия в тонкой организации мозга, возникающие из-за разной генетики и особенностей жизненного опыта. Мы можем уверенно говорить, что соматосенсорная кора у Скотта, по-видимому, содержит проекцию его пересаженной руки, которая находится в рамках тех вариаций, которые мы наблюдаем у здоровых взрослых людей. Тем не менее даже через девять лет после трансплантации мозг Скотта сохранял признаки давней ампутации. При стимуляции его собственной правой кисти активность увеличивалась и в области, которая отвечала за другую руку. Так почему же его руке удавалось так хорошо работать? Отчасти это может обеспечиваться участием других областей мозга, более высокоуровневых, не занимающихся непосредственно сенсорными и моторными функциями.

Простые задачи, такие как постукивание пальцами или пассивное восприятие прикосновения, удобны для исследования устройства сенсорной и моторной коры. Однако в повседневной жизни требуется умение брать предметы и манипулировать ими. В этих более сложных целенаправленных действиях участвуют области мозга, занимающиеся более высокоуровневой обработкой, такие как теменная и премоторная кора. Эти участки используют мультисенсорную информацию о свойствах объекта и положении тела для планирования движений с конкретной целью, например чтобы взять чашку и отпить из нее.

Кен Валиер (Ken Valyear) руководил в нашей лаборатории проектом, в котором с помощью хватательных движений и фМРТ изучалось восстановление захвата видимого объекта после пересадки руки у Дональда Рикельмана (Donald Rickelman). Дональд потерял левую руку во время аварии на производстве и жил без нее 14 лет. Нас особенно интересовала роль передней внутритеменной коры (пВТК) — небольшой области, расположенной сразу за проекцией кисти в сенсорной коре и участвующей в правильной ориентации кисти в соответствии с формой, положением и размером захватываемого объекта.

Спустя 26 месяцев и 41 месяц после получения трансплантата у Рикельмана, как и у других людей с пересаженными руками, которых мы изучали, наблюдались признаки непрерывной реорганизации в моторных и сенсорных связанных с кистью областях. Неудивительно, что ему было сложно выполнять кистью некоторые основные действия. При детальном анализе движений, снятых с высоким разрешением в то время, когда он дотягивался до предметов и брал их, были выявлены существенные улучшения координации за этот период. Каким образом он компенсировал свои сенсорные и моторные нарушения? Чтобы это выяснить, мы создали специальную установку, которая позволяла ответить на этот вопрос с помощью фМРТ. Когда Рикельман брал предметы через 26 месяцев после трансплантации, в его пВТК и премоторной коре наблюдался слабый уровень связанной с хватанием активности по сравнению с людьми с неповрежденными конечностями. К 41-му месяцу связанная с захватом активность в пВТК и премоторной коре усилилась и стала более похожа на ту, что наблюдалась у контрольных участников исследования. Мы предполагаем, что улучшение со временем способности дотягиваться и брать предмет с помощью пересаженной руки может обеспечиваться этими высокоуровневыми областями, взявшими на себя те задачи, с которыми слабо справлялись реорганизованные моторные и сенсорные зоны.

Дональд Рикельман и Мэттью Скотт продолжают совершенствовать свои сенсорные и моторные способности и через много лет после трансплантации, следовательно, связанные с обучением изменения в мозге могут участвовать в восстановлении еще долго после того, как полностью регенерируют периферические нервы. Основная цель нашей нынешней работы — установление взаимосвязи между зависимыми от опыта изменениями в мозге и использованием рук в повседневной деятельности, которое мы оцениваем с помощью беспроводного носимого сенсорного устройства. Такое оборудование позволяет нам наблюдать с высокой точностью активность рук и протезов в течение многих дней, когда участники исследования ведут свою обычную жизнь.

У периферических нервов есть сверхспособность восстанавливаться после повреждения, а у мозга — перестраиваться в ответ на изменение стимуляции. Оба этих свойства взаимно дополняют друг друга при восстановлении после травм. И пусть исследования людей, переживших трансплантацию кисти, еще только начинаются, но уже показано, что человеческий мозг может реагировать на возобновление стимуляции даже спустя много лет. Эти результаты противоречат общепринятым представлениям о слабой нейропластичности у взрослых людей и дают надежду тем, кто пытается преодолеть последствия ампутации и других разрушительных повреждений. Действительно возможно восстановить способности к хватанию и осязанию, которые были утрачены несколько десятков лет назад.

Автор: Скотт Фрей
Перевод: М.С. Багоцкая

Подписаться
Уведомление о
guest
0 комментариев
Inline Feedbacks
View all comments