Устранение нейроповреждений сверхкороткими лазерными импульсами: новые подходы и методы

Нейроны: как осуществляется межклеточная коммуникация

Информация в нервной системе передается с помощью электрических импульсов и химических сигналов. Этот процесс осуществляется в синапсах — контактных точках между двумя нейронами.

Функционирование как центральной нервной системы (ЦНС), так и периферической нервной системы (ПНС) происходит по схожему принципу. Это становится возможным благодаря нейронам и синаптической сети, которые служат средствами для межклеточной связи.

Врачи отмечают, что устранение нейроповреждений с помощью сверхкоротких лазерных импульсов представляет собой перспективный подход в нейрореабилитации. По их мнению, данный метод позволяет эффективно воздействовать на поврежденные участки нервной ткани, минимизируя при этом риск побочных эффектов. Специалисты подчеркивают, что лазерные импульсы способствуют стимуляции регенерации нервных клеток, улучшая кровообращение и ускоряя процессы восстановления.

Кроме того, врачи указывают на важность индивидуального подхода к каждому пациенту, так как эффективность лечения может варьироваться в зависимости от степени и характера повреждения. Исследования показывают, что сочетание лазерной терапии с традиционными методами реабилитации может значительно повысить шансы на успешное восстановление. В целом, врачи уверены, что дальнейшие исследования в этой области помогут оптимизировать методику и расширить ее применение в клинической практике.

Зачем лучи лазеров делят на сверхкороткие импульсы?

Строение нейрона

Обычный нейрон состоит из сомы (тела клетки), дендритов и аксонов:

• Дендриты представляют собой короткие и разветвленные отростки нейронов.
• Аксон — это длинное клеточное образование, которое может проходить значительные расстояния в организме человека и других живых существ. Аксон способен делать несколько ответвлений и, в конце концов, соединяться с несколькими клетками.

В головном мозге взрослого человека насчитывается примерно 300 триллионов синапсов.

Передача нейронных связей

Связь между нейронами происходит различными способами:

• от аксона одного нейрона к дендритам или телу другого нейрона;
• от аксона к аксону;
• от дендритов к дендритам и так далее.

Мембраны сомы и аксона активируют потенциал в ионных каналах, отвечающих за проводимость (кальций, натрий, калий и хлорид).

Устранение нейроповреждений с помощью сверхкоротких лазерных импульсов вызывает большой интерес как у специалистов, так и у пациентов. Многие исследователи отмечают, что этот метод может значительно ускорить процесс восстановления нервной ткани. Пациенты, прошедшие такую терапию, делятся положительными отзывами о снижении болевых ощущений и улучшении двигательной функции. Однако, несмотря на обнадеживающие результаты, некоторые эксперты подчеркивают необходимость дальнейших исследований для оценки долгосрочной эффективности и безопасности данной технологии. Важно также учитывать индивидуальные особенности каждого пациента, так как реакция на лечение может варьироваться. В целом, применение лазерных импульсов в нейрореабилитации открывает новые горизонты и вселяет надежду на улучшение качества жизни людей с нейроповреждениями.

Как работают лазеры? Простое и детальное объяснение

Почему необратимы повреждения нейронов

Нейрон представляет собой уникальный тип клетки, который не способен к делению, особенно в зрелом возрасте. В результате травмы нерва может произойти нарушение функций периферической нервной системы.

Паралич, возникающий после повреждений спинного и головного мозга, а также потеря чувствительности, связаны с полной блокировкой проводимости — разрывом связей между эфферентными (двигательными) и афферентными (чувствительными) нейронами.

Тем не менее, утверждение о том, что нейрогенез у взрослых полностью отсутствует, является неверным. Да, нейрогенез подвержен влиянию различных внешних факторов и может угнетаться под воздействием вредных факторов, таких как радиация, химические вещества и стресс, но новые нейроны все же образуются у взрослых, особенно в гиппокампе и височных областях головного мозга.

Более подробно о механизмах регуляции нейрогенеза и способах его стимуляции можно узнать из увлекательного видео, размещенного в конце статьи.

Типы повреждения нейронов

• Валлерова дегенерация:
  • Происходит разрыв нерва, что приводит к повреждению аксона и его миелиновой оболочки.
  • Блокировка проводимости начинается примерно через неделю после травмы.
  • Восстановление возможно, если базальная мембрана остается целой, так как она отвечает за производство миелина (клетками Шванна) и за приближение нервных окончаний.
  • В результате такого повреждения может развиться мышечная атрофия в области иннервации нейрона.
• Сегментная демиелинизация:
  • Повреждение затрагивает только миелиновую оболочку.
  • При сохранении целостности аксона мышечная дистрофия не наблюдается.
• Дегенерация аксонов:
  • В данном случае страдает тело нервной клетки, что приводит к дистальной гибели аксона.
  • Мышечная атрофия развивается при отсутствии повторной иннервации от соседних нервов.
  • При этом типе повреждения возможно лишь частичное восстановление.

Экспериментальные методы восстановления повреждения нейронов

На протяжении последнего десятилетия исследователи активно работают над новыми подходами, которые помогут предотвратить блокировку проводимости и гибель аксонов после травмы, а также сохранить жизнеспособность нейронной сети:

• Для устранения разрывов аксонов применялись специальные матрицы, размещаемые поперек повреждений.
• Использовалась клеточная терапия с применением ноотропных средств для стимуляции роста и восстановления поврежденных аксонов.
• В качестве альтернативных методов при повреждениях миелиновой оболочки применялись ингибиторы роста ассоциативных нейронов и средства, подавляющие образование рубцов.
• Для защиты клеток от гибели после травмы использовались молекулы, обеспечивающие защиту на молекулярном уровне.

Тем не менее, все эти многообещающие методы продемонстрировали лишь ограниченный успех.

Пока не удается решить главную задачу:

Избирательно соединить конкретный аксон с телом нейронной клетки.

Когда будет достигнуто соединение отдельных нейронов, это станет настоящим прорывом в науке и откроет новые горизонты для исследований в таких областях, как неврология, физиология, клеточная биология и биохимия. Это может привести к возможностям лечения серьезных травм спинного мозга и периферических повреждений нервной системы.

Лазерный метод соединения разрыва нейронов

Цели:

• Восстановить нейронные связи сразу после травмы и предотвратить блокировку передачи сигналов.
• Проверить гипотезу о физической связи и восстановлении при сближении нервных окончаний.

Лазерные технологии с использованием фемтосекундных импульсов представляют собой перспективный метод для целенаправленного соединения нейронов. Они применяются в нанохирургии как способ лечения рака:

• для ортопорации (создания переходного канала в клеточной мембране)
• трансфекции (внедрения нуклеиновых кислот в ядерные клетки).

Можно удалять или ионизировать материалы размером меньше дифракционного пятна, не повреждая при этом окружающие ткани.

Фемтосекундные лазерные импульсы также использовались как инструмент для изучения регенерации нейронов, позволяя разделять нейроны и аксоны.

Тем не менее, физическое соединение отдельных нейронов до сих пор не было осуществлено.

Суть эксперимента

В ходе эксперимента, проведенного с использованием лазерного излучения, настроенного на определенные параметры, была осуществлена гемифузия (слияние) двух фосфолипидных мембран нейронных клеток, выращенных в растворе DMEM.

Параметры лазерного излучения и биоматериал

Слияние было осуществлено с использованием фемтосекундных лазерных импульсов с длиной волны 800 нм, обладающих следующими параметрами:

• интенсивность и разрешающая способность составляют:
  • 1,7 (± 0,08) x 10^12 Вт/см² и ± 0,5 мкм;
• частота повторения — 80 МГц;
• эффективный размер пятна — 600 нм.
• оптимальное время облучения составило один-два 15 мс импульса (то есть 1,2×10^6 импульсов).

В качестве биоматериала были использованы:

• клетки P19 тератокарциномы мыши;
• клетки Neuro2A нейробластомы мыши;
• сыворотка телят, быков и коров.

На рисунке 1 представлена основная идея эксперимента:

1. Фемтосекундный лазерный импульс направляется в целевую область между аксоном и телом нервной клетки (сомой).
2. Фосфолипидные бислои нейрона сомы и аксона до воздействия лазера (обозначена область соединения фосфолипидных слоев).
3. Лазерный импульс высокой мощности вызывает обратимую дестабилизацию обоих фосфолипидных слоев. Под действием фемтосекундного лазерного импульса в зоне слияния аксон-сома образуются свободные ионы (обозначены красным) и свободные электроны (обозначены оранжевым), которые пересекают неполярную центральную область и разрывают связи между жирными кислотами гидрофобных хвостов.
4. В результате релаксации в целевой области формируются новые стабильные связи и образуется уникальная гемифузионная клеточная мембрана — общий фосфолипидный бислой.

Как проводилось лазерное соединение нейронов

• Клетки отбирались и размещались так, чтобы аксон одного нейрона соприкасался с сомой другого нейрона, используя оптический пинцет.
• Нейроны оставлялись в контакте на некоторое время, чтобы удостовериться, что между ними не происходит естественное слияние, после чего их раздвигали с помощью оптического пинцета.
• Затем нейроны снова сближались, и область между аксоном и сомой клетки облучалась фемтосекундными лазерными импульсами.
• Для проверки соединения один из нейронов перемещался пинцетом внутрь чашки-подвески:
  • было замечено, что остальные нейроны следовали за ним, скручиваясь и поворачиваясь как единое целое.

Рис. 2 иллюстрирует процесс соединения одного нейрона с несколькими другими и формирование цепочки нейронов с использованием фемтосекундных лазерных импульсов (стрелками обозначена связь между аксоном и сомой).

1. Присоединение двух клеток Neuro2A, где аксон первой клетки (I) соприкасается с сомой второй клетки (II).
2. Второй аксон Neuro2A (I) соединяется с сомой Neuro2A (III).
3. Демонстрируется прочность новых связей при повороте соединенных клеток на 30° относительно их исходного положения.
4. Определены и выделены две группы по четыре клетки P19.
5. Аксон нейрона (I) вступил в контакт и был связан с сомой (II) с помощью фемтосекундных лазерных импульсов, в результате чего обе группы соединились.
6. Положение цепочки после ее поворота с помощью оптического пинцета.

Таким образом, было осуществлено соединение нескольких групп нейронов.

Заключение

На протяжении всего периода наблюдения и проведенных манипуляций нервные клетки продемонстрировали свою жизнеспособность и надежность соединений.

Метод соединения нейронов с использованием фемтосекундного лазера имеет потенциал стать научным прорывом, который откроет новые возможности для изучения влияния соединительных нейронов до и после травмы. Сохранение жизнеспособности нейронной сети даст возможность исследователям углубиться в изучение сложных патофизиологических процессов, таких как нейрогенез, валлеровская дегенерация, сегментарная демиелинизация и дегенерация аксонов. Это создаст предпосылки для разработки новых подходов к лечению нервных травм и заболеваний.

(По материалам статьи из научного журнала Nature. Scientific reports)

Видео: Взрослый нейрогенез

Взрослый нейрогенез — Александр Лазуткин

Вопрос-ответ

Какую болезнь вызывает лазерное излучение?

На организменном уровне воздействие излучения сопровождается астеническим, астеновегетативным и астеноневротическим синдромами разной степени выраженности. В редких случаях при длительном воздействии лазерного излучения может развиваться гипоталамический синдром, характеризующийся перестройкой нервно-гуморальных.

Какой самый короткий лазерный импульс?

Текущий мировой рекорд по длительности самого короткого светового импульса, созданного человеком, составляет 43 секунды. Анн Люлье, Пол Коркум и Ференц Краус были удостоены премии Вольфа по физике за пионерский вклад в науку о сверхбыстрых лазерах и физику аттосекундных импульсов.

Какое воздействие на организм человека оказывает низкоинтенсивное лазерное излучение?

Оказывает противовоспалительное, анальгезирующее, антиаллергическое действие. Стимулирует восстановительные процессы, нормализует общий иммунитет, повышает резистентность организма.

Как лазер влияет на тело?

Процедура улучшает обменные процессы, дает обезболивающий и противовоспалительный эффект, повышает иммунитет, снимает отеки. Лазерную терапию используют во многих отраслях медицины.

Советы

СОВЕТ №1

Перед началом лечения нейроповреждений с использованием сверхкоротких лазерных импульсов, обязательно проконсультируйтесь с квалифицированным специалистом. Это поможет определить, подходит ли данная методика именно для вашего случая и избежать возможных осложнений.

СОВЕТ №2

Изучите доступные исследования и клинические испытания, касающиеся применения лазерной терапии для лечения нейроповреждений. Это поможет вам лучше понять эффективность метода и его потенциальные риски.

СОВЕТ №3

Обратите внимание на оборудование и технологии, используемые в клинике. Убедитесь, что лазеры, применяемые для терапии, сертифицированы и соответствуют современным стандартам безопасности и эффективности.

СОВЕТ №4

После процедуры следуйте рекомендациям врача по реабилитации и восстановлению. Это может включать в себя физическую терапию, упражнения и другие методы, которые помогут ускорить процесс заживления и улучшить результаты лечения.