Аннотация результатов, полученных в 2014 году
Функциональная организация системы нейронального контроля направления локомоторной активности изучалась на экспериментальных моделях животных и здоровых испытуемых. В опытах на децеребрированной кошке установлено, что направление движения определяется фазным соматосенсорным входом от конечности, сигнализирующим о направлении и амплитуде ее отклонения в опорную фазу локомоторного цикла. С использованием метода мультиклеточной регистрации обнаружены более 200 нейронов спинного мозга, участвующих в навигационном контроле. Проводился анализ активности нейронов, распределенных в разных участках серого вещества. Исследовалась связь нейрональной активности со стимуляцией сенсорных входов, двигательных центров спинного мозга и ствола, корреляция с работой мышц конечностей, кинематическими характеристиками при локомоции в различных направлениях. На материале спинного мозга кошки отработан ряд современных гистологических методов для идентификации и разносторонней характеристики изучаемых нейрональных структур. Эксперименты на хронически спинализированных крысах подтвердили, что изолированный спинной мозг содержит собственные механизмы контроля направления при движении, которые могут эффективно функционировать на основе соматосенсорных сигналов от конечностей без участия супраспинальных влияний. Проведен морфологический анализ распределения активность-зависимого С-Fos маркера после продолжительной локомоции спинальных крыс вперед и в сторону. Установлен сходный паттерн распределения иммунопозитивных нейронов в сером веществе спинного мозга; при ходьбе в сторону количество меченых нейронов было значимо больше только в X пластине по Рекседу. На здоровых добровольцах исследовалась роль афферентной стимуляции и неспецифической активации спинальных локомоторных сетей в контроле направления непроизвольных локомоторных движений у человека. Обнаружено, что при чрескожной электрической стимуляции на грудном (Т11-Т12) и поясничном (L1-L2) уровне вызывается ходьба вперед, координация и амплитуда движений в суставах зависит от уровня стимуляции. Афферентная стимуляция одной ноги (пассивные движения назад или вперед) вызывает непроизвольные шагательные движения другой ноги при разгрузке веса тела. Направление пассивных движений одной ноги, как правило, определяет такое же направление непроизвольных движений другой ноги. Чрескожная электрическая стимуляция спинного мозга после пассивных движений назад приводит к общей дискоординации непроизвольных движений ног, в паттерне которых можно обнаружить эпизоды ходьбы вперед и назад.

Аннотация результатов, полученных в 2015 году
В опытах на децеребрированных кошках проверялась гипотеза рострокаудального распределения локомоторных сетей, контролирующих разные направления ходьбы. Проведено детальное картирование пояснично-крестцового утолщения спинного мозга (сегменты L3-S1) на предмет сравнения паттернов локомоции в разных направлениях, вызываемых при электрическом воздействии на локальные нейронные сети. Локомоция вперёд вызывалась при стимуляции всех исследуемых сегментов, однако характеристики двигательного паттерна отличались. Стимуляция рострального отдела (сегменты L4-L5) вызывала координированную ходьбу с преобладанием флексорного компонента. При стимуляции каудального отдела (сегменты L7-S1) была более выражена экстензия. Экспериментально подтверждено, что при стимуляции определенной зоны спинного мозга (сегмент L6 - ростральная часть сегмента L7) смена направления движения ленты тредбана при неизменных параметрах электрической стимуляции приводила к появлению ходьбы назад. Проведенные опыты доказывают специфическое рострокаудальное распределение нейронных сетей, ответственных за ходьбу в разных направлениях, в поясничном утолщении спинного мозга. В отличие от более широко представленных в спинном мозге сетей, отвечающих за ходьбу вперёд, нейронные сети, управляющие ходьбой назад, по-видимому, ограничиваются сегментом L6 и ростральной частью сегмента L7. С целью исследования спинальных нейронных сетей, запускающих локомоцию вперёд и назад, проведен детальный анализ данных опытов на децеребрированных кошках с мультиклеточной регистрацией нейрональной активности при in vivo локомоции в разных направлениях. С помощью процедуры автоматической сортировки спайков нейрональной активности выделена и проанализирована активность 311 индивидуальных нейронов. Среди проанализированных клеток, были нейроны, чётко модулированые либо при локомоции вперед (forward, FW), либо при локомоции назад (backward, BW), а также нейроны, которые не модулировались ни при FW локомоции, ни при BW локомоции. Часть клеток была активна в течение как FW, так и BW локомоции, но их модуляция была нестабильной и могла проявляться или исчезать во время эпизода двигательной активности. Чётко модулированные нейроны были разделены по их активности во время FW и BW локомоции на 3 группы, каждая из которых была разделена на две подгруппы. Группа 1 содержит нейроны, которые не меняли фазу модуляции во время как FW, так и BW локомоции. Нейроны первой подгруппы имели модуляцию (максимальную активность) в фазе переноса, как во время FW, так и BW локомоции. Нейроны другой подгруппы модулировались в фазу опоры, как во время FW, так и BW локомоции. Сделан вывод, что нейроны Группы 1 принадлежат к сети генерации вертикального компонента шага (подъем и опускание конечности) во время ходьбы. Группа 2 содержит нейроны, которые модулируются только при FW локомоции или только при BW локомоции. Нейроны первой подгруппы группы 2 модулировались либо при переносе (swing), либо в фазу опоры (stance), соответственно, только во время FW локомоции. Нейроны второй подгруппы модулировались в фазу переноса и фазу опоры, соответственно, только во время BW локомоции. Предполагается, что нейроны Группы 2 относятся к сетям, управляющих направлением ходьбы (вперед и назад, соответственно), т.е. ответственны за горизонтальный компонент шага. Наконец, нейроны группы 3 изменяли фазу модуляции в зависимости от направления передвижения. Нейроны первой подгруппы группы 3 модулировались в опору (stance) во время FW локомоции и в перенос (swing) во время BW локомоции. Нейроны второй подгруппы группы 3 модулировалось в фазе переноса при FW и в фазе опоры во время BW. Было сделано предположение, что 3-я группа нейронов осуществляет контроль мышцы тазобедренного сустава, в котором направление движений в фазу переноса и фазу опоры противоположны во время FW и BW локомоции. В отдельной серии экспериментов изучалась морфофункциональная организация нейронных сетей, лежащих в основе сенсомоторной интеграции при локомоции, с использованием в качестве их возможного молекулярного маркёра кальций связывающий белок кальбиндин 28 кДа. С помощью метода иммуногистохимического анализа на фронтальных срезах выявлено несколько областей локализации кальбиндин-позитивных нейронов: (А) пластина I, содержащая крупные нейроны нескольких морфотипов: фузиформные, пирамидные и мультиполярные. (Б) пластины II-IV, содержащие мелкие и средние нейроны. В этих пластинах выявлена регулярная упорядоченная организация мелких нейронов: модули, ориентированные перпендикулярно кривизне дорзальных рогов. Исследование горизонтальных срезов показало, что кальбиндиновые модули упорядочены и в рострокаудальном направлении, представляя собой периодично расположенные короткие полосы с длинной осью, параллельной медиолатеральной оси мозга. Предполагается, что выявленные модули могут быть одной из основ сенсомоторной интеграции на уровне спинного мозга. (В) В пластинах V-VIII обнаружены средние и крупные иммунопозитивные нейроны нескольких морфотипов. Причем выявлено 4 специфических паттерна их распределения в разных сегментах спинного мозга. (1) В наиболее латеральной части пластины VII на уровне сегментов L1-L4. Полагаем, что эта группа соответствует локализации интермедиолатерального ядра, состоящего из преганглионарных симпатических нейронов. (2) Удлинённая группа клеток на границе пластин IV-V в сегментах L5-L7. (3) Удлинённая группа клеток на дорзальной границе пластины VII, также в сегментах L5-L7. Локализация этих двух групп сходна с расположением ветвления волокон, приходящих от гигантоклеточной области ретикулярной формации, что позволяет предположить участие кальбиндиновых интернейронов в интегративных ретикулоспинальных связях. (4) В пластине VIII сегментов L5-S3 выявлены средние и крупные иммунопозитивные нейроны, некоторые из которых формируют скопление, ориентированное вдоль вентрального края пластины. Полагаем, что выявленные нами кальбиндин-позитивные клетки этой зоны спинного мозга могут являться элементами локомоторных сетей, некоторые из них (в наиболее вентральной части) сходны по морфологии с интернейронами Реншоу, вызывающими возвратное торможение мотонейронов. Полученные результаты позволяют сделать вывод, что популяция нейронов, иммунопозитивных к кальбиндину, может играть важную роль в организации интегративных сетей, обеспечивающих сенсомоторный контроль двигательной активности на спинальном уровне. В экспериментальных исследованиях на крысах удалось разработать алгоритм воздействия на несколько сегментов спинного мозга, модулируя электрическую стимуляцию в зависимости от текущих двигательных способностей и выполняемой задачи. Стимуляция специфических сегментов левой и правой половины спинного мозга позволяла контролировать активность мышц разных конечностей и их направление при движении. Ранее в экспериментах на животных и клинических исследованиях нами было показано, что нейромодуляция сетей поясничных сегментов с помощью электрической стимуляции улучшает контроль движений после травмы спинного мозга. Тем не менее, физиологические принципы, лежащие в основе этого процесса, остаются плохо изученными, что ограничивает этот терапевтический подход тонической стимуляции, применяемый в ограниченных участках спинного мозга. Мы разработали новые протоколы стимуляции, которые воспроизводят естественную динамику активации моторных нейронов во время передвижения. Для этого были вычислены пространственно-временые паттерны активации мышечных синергий во время локомоции интактных крыс. С помощью компьютерного моделирования были определены оптимальные позиции электродов для активации каждой синергии за счет стимуляции проприоцептивных сенсорных волокон. Все это было заложено в основу дизайна спинальных электродных матриц и программного обеспечения управления в реальном времени, которое модулирует экстензорные и флексорные синергии с высокой точностью. Пространственно-временная нейромодуляция эффективно восстанавливала качество ходьбы, способности к поддержке веса тела, выносливость и координацию при локомоции у крыс с тяжелыми повреждениями спинного мозга. Разработанная технология открывает новые возможности, как для фундаментальных исследований центральной нервной системы, так и для нейропротезирования при заболеваниях и травмах. Супраспинальный контроль направления при движении в норме осуществляется с участием кортикоспинальных нисходящих систем. В отдельной работе нами изучались способности к восстановлению проведения кортико-спинальных сигналов при половинном повреждении спинного мозга – синдроме Броун-Секара – у крысы, обезьяны и человека. Установлена непосредственная связь между латерализованностью повреждений спинного мозга и восстановлением нарушенных функций, а также исследованы процессы, определяющие эту зависимость. Было сделано заключение, что приматы обладают более высокой способностью к восстановлению функций спинного мозга при его латеральном (одностороннем) повреждении по сравнению с другими животными, в частности, грызунами. Причина этого заключается в анатомических и функциональных различиях кортико-спинального пути, через волокна которого кора одной половины головного мозга взаимодействует со спинальными нейронами. У крыс кортико-спинальный путь преимущественно ограничивается одной стороной, тогда как у обезьян и человека этот путь является двусторонним. Из-за этих анатомических особенностей у приматов значительная часть волокон, идущих от коры одной половины головного мозга, не затрагивается после латерального повреждения спинного мозга. В результате возможно образование обходных путей передачи нейронального сигнала вокруг повреждения и, как следствие, восстановление функций конечностей. Исследования показали, что такая нейропластичность менее выражена у крыс. Были сопоставлены описания процесса восстановления нарушенных функций у более чем 400 пациентов с тетраплегией (неполным повреждением спинного мозга, полностью поражающим одну сторону). Кроме того, было проведено наблюдение функциональных изменений кортико-спинального пути у пациентов с тетраплегией, а также разработаны модели латерального повреждения спинного мозга у грызунов и обезьян. Как оказалось, восстановление этого навыка у людей и обезьян происходит более эффективно, чем у крыс. В отличие от грызунов, люди и обезьяны демонстрировали значительное восстановление двигательных функций верхних конечностей. Было зафиксировано значительное изменение структуры кортико-спинального пути ниже уровня повреждения у обезьян — увеличение в нем количества волокон по средней линии спинного мозга, а также образование множественных аксональных ветвлений в денервированных спинальных сегментах. В результате адаптационных процессов у приматов, в отличие от грызунов, формируются обширные обходные пути, которые способствуют более полному восстановлению функций, особенно после латеральных повреждений. Таким образом, было доказано, что, вопреки устоявшемуся мнению, у приматов вероятность спонтанного восстановления нарушенных функций выше, чем у грызунов, при схожих травмах спинного мозга. В рамках исследования роли афферентации в регуляции направления локомоторной активности у человека изучалось влияние вибростимуляции мышц конечностей на характер движений, вызываемых при неинвазивной электростимуляции спинного мозга. Выявлено, что вибрация сухожилий руки и ноги не определяет направление вызываемых движений ног, сочетание вибростимуляции сухожилий и чрескожной стимуляции спинного мозга (ЧЭССМ) также не влияет на направление движений. Роль рецепторов опорной поверхности стопы в организации движений исследовали в экспериментах с пневмостимуляцией подошвы. Стимуляция состояла в чередующемся давлении на пяточную и плюсневую поверхность каждой стопы, соответствующем смене давлений на эти области при ходьбе вперед. В результате исследований получено, что ЧЭССМ вызывает непроизвольные движения ног вперед, траектория движений не постоянная, возникают «спотыкания» с кратковременным изменением направления движения и последующим возвратом к прежней траектории. Стимуляция опорной поверхности стоп одновременно с ЧЭССМ вызывает непроизвольные движения ног вперед, траектория движений постоянная, изменения направления движения не наблюдались, амплитуда движений ног больше, чем при других условиях стимуляции. Был сделан вывод, что стимуляция опорной поверхности стоп, имитирующая стимуляцию при ходьбе вперед, вызывает устойчивую ходьбу вперед. Таким образом, рецепторы опорной поверхности стопы корректируют направление движений, которые задают спинальные локомоторные сети. В результате 2-х лет работы по проекту было подготовлено 11 публикаций в сборниках научных трудов и 9 статей в рецензируемых изданиях, в т.ч. в высокорейтинговых журналах издательств Science и Nature.

Аннотация результатов, полученных в 2016 году
Исследовалась активность нейронов поясничного утощения спинного мозга кошки при локомоции в разных направлениях. Всего за время выполнения проекта удалось выделить из суммарной картины нейрональной активности и охарактеризовать работу около 500 индивидуальных нейронов. Проведенная работа этого года по данному направлению подтвердила полученные ранее основные выводы. Большинство нейрональных ответов модулировалось при вызванной локомоции, имея чёткую связь с фазой локомоторного цикла, переносом или опорой. Нейроны были разбиты на три группы, в зависимости от степени модуляции их активности при локомоции в разных направлениях: вперёд или назад. Первую группу составили нейроны, имеющие одинаковую фазу модуляции во время локомоции в обоих направлениях и, по-видимому, составляющие сети, генерирующие вертикальный компонент шага. Во вторую группу вошли те нейроны, активность которых модулировалась только во время ходьбы в определённом направлении. Именно эта популяция нейронов, вероятно, составляет сети, контролирующие направление локомоции. Третья группа нейронов характеризовалась тем, что во время цикла локомоции меняла фазу активности в зависимости от направления движения. Предположительно, такие нейроны отвечают за контроль мышц тазобедренного сустава, в котором направление движений в опору и перенос противоположно при ходьбе назад и вперед. В другой экспериментальной серии выполнено исследование распределения в сером веществе спинного мозга нейронов, задействованных при локомоции вперёд (FW) или назад (BW), методом иммуногистохимического выявления экспрессии раннего гена c-fos. Большинство FOS+ ядер показано в трёх областях: в латеральной части дорзальных рогов – на уровне пластин II-IV; в центральной части серого вещества, на границе пластин VI и VII, и в вентромедиальной области серого вещества – в районе границы между пластинами VII и VIII. Выявлено различие в числе FOS+ ядер между животными групп FW и BW (больше – у BW). Показано дву-модальное распределение FOS+ ядер вдоль рострокаудальной оси спинного мозга: наличие двух максимумов (сегменты L4-L5, и L7-S1) и провала между ними (сегменты L5-L6). Разработана математическая модель управления задними конечностями кошки при ходьбе в разных направлениях. В рамках единой модели локомоции задних конечностей кошки с поддержанием баланса лишь за счет изменения управляющих воздействий, помимо режима ходьбы вперед, реализован режим ходьбы назад. Скелетная часть модели содержит позвоночник, таз, и две конечности, состоящие из бедра, голени и стопы. Тазобедренный сустав и крепление позвоночника в грудном отделе имеют по три степени свободы, коленный и голеностопный суставы - одну степень свободы. Таз жестко соединен с позвоночником. Управление осуществляется модельными мышцами: флексорами и экстензорами бедра, голени и стопы. Активация мышц осуществляется воздействиями, характерными для управляющих мышцами мотонейронов. Лапы в фазе опоры касаются тредбана, движущегося с постоянной скоростью. Модель качественно воспроизводит многочисленные характеристики движений кошки при ходьбе вперед и назад, что свидетельствует о ее валидности. В работе на пациентах с тяжелыми нижними параплегиями разного генеза проводилась оценка локомоторных способностей при обучении и тренировке тетрапедальной ходьбы в разных направлениях. Для этого в ходе нейрореабилитации применяли тесты с тетрапедальной ходьбой на дистанцию 5м вперед (TFW) и назад (TBW). Низкий центр масс при большей площади опоры, меньшая зависимость от техники передвижения и способности к поддержанию баланса обеспечивают большую доступность этих тестов для пациентов по сравнению с бипедальной ходьбой. Проанализированы результаты TFW и TBW 14 здоровых добровольцев и 15 пациентов с нижними параплегиями в ходе нейрореабилитации. Реабилитация включала чрескожную электростимуляцию локомоторной зоны поясничного утолщения спинного мозга и пассивно-активное шагание на тренажерах. Пациенты выполняли тесты до реабилитационных процедур, однократно, во избежание утомления. Из 15 пациентов 11 выполняли тесты самостоятельно, 4 - с внешней помощью; четверо пациентов в ходе наблюдений осваивали тетрапедальную ходьбу впервые. В норме TFW занимал от 3,0 до 5,7с (4,0±0,7с), TBW – от 3,5 до 7,2с (5,0±1,1с), все испытуемые двигались вперед быстрее, чем назад. У пациентов с плегиями до прохождения курса нейрореабилитации время TFW составило от 5 до 143с, назад – от 6 до 152с. Из 4 пациентов, осуществлявших тетрапедальную ходьбу с внешней помощью, в ходе курса двое перешли к самостоятельному выполнению тестов, у двоих снизилась необходимость внешней помощи, при этом время выполнения тестов увеличилось. Динамики не наблюдали у 2 пациентов с исходно высокими показателями. У пациентов, имевших опыт тетрапедальной ходьбы к началу курса, в ходе реабилитации локомоторные способности существенно улучшились, время выполнения тестов сократилось на 20-80%, с наибольшим эффектом за первые 3-5 занятий. У впервые осваивающих тетрапедальную ходьбу время выполнения тестов уменьшилось к концу курса в среднем на 42,9±13,3%, с резким сокращением (на 26,3±12,8% от исходного) за первые 4-11 занятий. Ссылки на информационные ресурсы в сети Интернет, посвященные результатам проекта: http://www.vesti.ru/doc.html?id=2814775 https://www.gazeta.ru/science/news/2016/10/24/n_9254843.shtml http://www.neurotechnologies.ru/article_news?id=118 http://fano.gov.ru/ru/press-center/card/?id_4=36818 http://рнф.рф/ru/node/1985 https://www.nkj.ru/news/28002/ https://www.nkj.ru/news/26863/