КАРТОЧКА
ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер 23-25-00259
НазваниеМногоканальная электрическая стимуляция отолитовой мембраны и полукружных каналов вестибулярного органа
РуководительДемкин Владимир Петрович, Доктор физико-математических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет", Томская обл
| Период выполнения при поддержке РНФ | 2023 г. - 2024 г. |
Конкурс№78 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами».
Область знания, основной код классификатора 05 - Фундаментальные исследования для медицины, 05-602 - Физические методы медицинской диагностики. Томография
Ключевые словаВестибулярная система, полукружные каналы, отолитовые органы, вестибуло-окулярный рефлекс, двусторонняя вестибулярная дисфункция, видеоокулография, вестибулярный лабиринт, многоканальная стимуляция, передаточная функция.
Код ГРНТИ76.29.54, 76.29.51, 76.29.46
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Данный проект посвящен разработке комплексного подхода к совершенствованию вестибулярных имплантов (ВИ) посредством многоканальной стимуляции вестибулярных нервов полукружных каналов и отолитовых мембран.
Целью проекта является получение новых знаний и понимание механизма взаимодействия сигналов отолитовых структур и полукружных каналов вестибулярного органа, чтобы генерировать соответствующие ощущения, движения глаз и постуральные реакции.
Общее введение в проблему
Около 0,3 % населения в мире почти полностью теряют вестибулярную функцию, что соответствует распространенности глухих людей – 0,4 % [1-4]. Это расстройство так же, как и слепота или глухота, значительно влияет на качество жизни и способность работать. Более 70 % этих пациентов теряют свою работу, а их качество жизни оценивается на 40 % ниже, чем до появления болезни [1].
Предыдущие исследования ученых показали, что вестибулярный имплант является клиническим устройством, который путем прямой стимуляции вестибулярного нерва открывает широкий спектр новых вариантов исследования центральной вестибулярной системы [5-18]. Однако эти исследования ограничивались только протезированием полукружных каналов, отвечающих за детектирование вращений головы [5-9]. Необходимость учета всех сенсоров движения для поддержания стабильного зрения и позы вызвана тем, что полукружные каналы и отолитовые сенсорные области внутреннего уха функционируют как интегрированная система – в ответ на движения головы сигналы отолитов взаимодействуют с сигналами полукружных каналов, вызывая соответствующие ощущения, движения глаз и постуральные реакции. Таким образом, новая концепция вестибулярного импланта должна строиться на многоканальной стимуляции вестибулярных нервов, моделирующих стимулы от трех полукружных каналов и двух отолитовых концевых органов, которые вместе обеспечивают ощущение движения головы и ориентацию.
Для достижения цели проекта предполагается решение двух задач:
Задача 1. Разработка физико-математической модели и определение спектральной чувствительности отолитовой системы.
Задача 2. Разработка комплексной электрофизиологической 3D-модели вестибулярного органа с учетом анатомической структуры отолитовых органов и полукружных каналов.
Многоканальная электрическая стимуляция отолитовой системы и полукружных каналов на основе электрофизиологической модели вестибулярного органа является комплексным подходом к оценке роли отолитовых органов и полукружных каналов в нарушении вестибулярной функции и их влияния на восстановление вестибулярных рефлексов.
Решение данных задач приведет к фундаментальному пониманию функции отолитовой части вестибулярной системы, ее роли в формировании вестибулярных рефлексов, что в настоящее время отсутствует и к возможности улучшить имплант с высоким социальным и экономическим эффектом.
Научная новизна и значимость результатов данного проекта
В отличие от сравнительно хорошо изученного подхода к исследованию и совершенствованию протезной стимуляции полукружных каналов, протезная стимуляция маточки и мешочка представляет собой более сложный подход к исследованию мало изученной области.
В настоящее время имеется ограниченное число противоречивых исследований, в которых предпринималась попытка селективной электрической стимуляции маточки или мешочка, что указывает на необходимость дальнейших исследований в этой области. Таким образом, тема заявленного проекта является новой для данного коллектива исследователей.
Отолитовые органы, также как и полукружные каналы, играют важную роль в стабилизации ориентации головы, положения тела, походки, вегетативных функций и пространственного восприятия. В результате выполнения заявленного проекта будут получены новые знания о механизмах функционирования отолитовых органов и их взаимодействии с полукружными каналами, их роли как интегрированной системы в восстановлении вестибулярной функции для совершенствования вестибулярного импланта нового поколения.
Ожидаемые результаты
1. Результаты клинико-лабораторного обследования и диагностических тестов пациентов с ДВД для оценки статуса вестибулярного аппарата. Отбор групп пациентов, страдающих двусторонней вестибулопатией с поражением полукружных каналов и отолитовых органов.
2. Результаты клинико-лабораторных исследований по оценке функции полукружных каналов у пациентов с двусторонней вестибулярной потерей.
3. Результаты клинико-лабораторных исследований по диагностике функции отолитовых органов у пациентов с двусторонней вестибулярной потерей.
4. Детализированная геометрическая модель внутреннего уха лабораторных животных (крысы), включающей отолитовые органы, вестибулярный нерв, височную кость и костный лабиринт.
5. Детализированная 3D-физико-математическая модель отолитовой системы с учетом ее анатомической структуры на основе МРТ- и КТ- снимков.
6. Результаты численных экспериментов по прохождению стимулирующих электрических импульсов через ткани отолитовой мембраны на высоких и низких частотах.
7. Спектральная закономерность чувствительности отолитовых органов при электростимуляции отолитовой системы на высоких и низких частотах.
8. Комплексная электрофизиологическая модель вестибулярного органа с учетом отолитовых органов и полукружных каналов, взаимодействия сенсорных сигналов и их интерференции.
9. 3D-модель передаточной функции вестибулярного импланта с учетом многоканальной стимуляции отолитовых органов и полукружных каналов.
10. Результаты численного эксперимента по распространению тока в тканях вестибулярного органа при многоканальной стимуляции отолитовых органов и полукружных каналов.
11. Результаты численных экспериментов и лабораторных исследований по оптимизации передаточной функции вестибулярного импланта в режиме многоканальной стимуляции отолитовых органов и полукружных каналов.
12. Подготовка и публикация 4 научных статей в ведущих рецензируемых российских и зарубежных научных изданиях, индексируемых в библиографических зарубежных базах данных публикаций и/или Russian Science Citation Index (RSCI).
13. Заявка на получение охранных документов на результаты интеллектуальной деятельности, полученных в рамках реализации проекта.
14. Доклады на конференциях о результатах выполнения проекта.
Сегодня в промышленной разработке находятся комбинированный вестибуло-кохлеарный имплант (VCI) и вестибулярный имплант (VI). По нашим оценкам, внедрение имплантов на рынок медицинских устройств займет менее 5 лет.
В числе основных конкурентов по разработке вестибулярных имплантов – клиника Джона Хопкинса (США) – группа под руководством C.C. Della Santina, а также департамент оториноларингологии Servicio Canario de la Salud (Испания) – группа под руководством Angel Ramos Macias.
Основные коллаборации в данном исследовании представлены Университетом Маастрихта (Нидерланды) – группа под руководством R. van de Berg, а также Университетским госпиталем Женевы (Швейцария) – группа под руководством A. Perez-Fornos.
Новая концепция вестибулярного импланта, предлагаемая нами, должна строиться на мультиканальной стимуляции вестибулярных нервов, моделирующих стимулы от трех полукружных каналов и двух отолитовых (отокониальных) концевых органов, которые вместе обеспечивают ощущение движения головы и ориентацию.
Многоканальная стимуляция полукружных каналов совместно со стимуляцией отолитовых органов для восстановления вестибуло-окулярных рефлексов приведет к улучшению передаточной функции вестибулярного импланта по сравнению с передаточной функцией полукружных каналов.
Практическая значимость результатов проекта обеспечивает:
- расширение возможностей электрического восстановления функций незадействованных на данный момент структур внутреннего уха (отолиты);
- совершенствование передаточной функции вестибулярного импланта за счет расширения его функций на отолитовые органы.
Фундаментальная значимость результатов проекта состоит в получении новых знаний и понимании механизма взаимодействия сигналов отолитовых структур и полукружных каналов вестибулярного органа, чтобы генерировать соответствующие ощущения, движения глаз и постуральные реакции.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Данный проект посвящен разработке комплексного подхода к совершенствованию вестибулярных имплантов (ВИ) посредством многоканальной стимуляции вестибулярных нервов полукружных каналов и отолитовых мембран. Предыдущие исследования ученых показали, что ВИ является клиническим устройством, который путем прямой стимуляции вестибулярного нерва открывает широкий спектр новых вариантов исследования вестибулярного аппарата. Однако эти исследования ограничивались только протезированием полукружных каналов, отвечающих за детектирование вращений головы. Необходимость учета всех сенсоров движения для поддержания стабильного зрения и позы вызвана тем, что полукружные каналы и отолитовые сенсорные области внутреннего уха функционируют как интегрированная система, вызывая соответствующие ощущения, движения глаз и постуральные реакции.
Целью настоящего проекта является получение новых знаний и понимание механизма взаимодействия сигналов отолитовых структур и полукружных каналов вестибулярного органа.
Основной задачей исследования в 2023 году была разработка физико-математической модели и определение спектральной чувствительности отолитовой системы.
Исследования проводились научной группой Томского государственного университета и Сибирского государственного медицинского университета в составе лаборатории моделирования физических процессов в биологии и медицине ТГУ.
Основные результаты работы коллектива лаборатории.
1. Проведено клинико-лабораторное обследование пациентов с оценкой статуса вестибулярного аппарата, включая стандартное вестибуло-неврологическое обследование для оценки вестибулярной реактивности регулярных афферентов.
В результате обследования 63 пациентов (43 женщины и 20 мужчин) в возрасте от 22 до 84 лет, обратившихся с жалобами на головокружение и нарушение равновесия, отобраны 28 человек с подозрением на двустороннюю вестибулярную дисфункцию.
2. Проведены клинико-лабораторные исследования по оценке функции полукружных каналов у 27 пациентов с двусторонней вестибулярной потерей (ДВП). В результате анализа жалоб и анамнеза в группу с нарушением функции полукружных каналов отнесены 19 из 27 человек (70,4 %), с выявленным несистемным головокружением, среди которых наиболее вероятно у 12 человек имеются двустороннее нарушение только функции полукружных каналов, без вовлечения других структур. Дальнейшее уточнение полученных результатов с применением стабилометрического анализа подтвердило этот вывод.
3. Проведены клинико-лабораторные исследования по диагностике функции отолитовых органов у пациентов с ДВП. Для оценки возможности контроля двустороннего нарушения отолитовых органов применяли методики оценки реакций постуральных мышц в ответ на изменение положения тела при регистрации миограмм в положении человека лежа под различными углами, а также при вращении пациента на поворотном кресле Кроме того использовалась методика регистрации вестибулярных миогенных вызванных потенциалов (ВМВП), возникающих при стимуляции отолитовых органов с помощью механического раздражителя (громкий звук, вибрационное, гальваническое воздействие) и применялись тесты, позволяющие оценить равновесие и координацию. По результатам тестов следует, что нарушение отолитов имеется у 12-14 человек из 28. Для более детального исследования использовались инструментальные методики с применением «Стабилан-01-2». Установлено, что нарушения отолитовой системы можно установить только по совокупности методик, ключевую роль в которых играют цервикальные ВМВП.
4. Построена детализированная 3D-физико-математическая модель и электрическая схема замещения отолитовой мембраны.
Проведены вычисления 3D-смещений слоев отолитовой мембраны крысы при действии статических механических стимулов, соответствующих вращениям головы вокруг главных осей (X,Y,Z). Показано, что угловые ускорения приводят к активации афферентных вестибулярных нервов не только полукружных каналов, но и отолитовых структур. На основании расчета смещений гелевого и сетчатого слоев отолитовых мембран вычислены относительное число активированных клеток и их смещение, обусловливающее ионные токи трансдукции и изменение мембранного потенциала клеток.
5. Проведены МРТ/КТ-исследования для построения детализированной геометрической модели внутреннего уха крысы, включая отолитовые органы, вестибулярный нерв, височную кость и костный лабиринт.
Проведена сегментация твердых и мягких тканей вестибулярного аппарата крысы с выделением костного лабиринта и находящейся внутри него жидкости. Определено взаимное расположение отдельных элементов вестибулярного аппарата. Применение микро-КТ-снимков позволило установить точные геометрические размеры костного лабиринта внутреннего уха и расположение вестибулярного органа внутри выделенной кости. Построена анатомическая модель вестибулярного органа крысы, включающая в себя основные структуры лабиринта, такие как костный лабиринт, эндолимфа, саккулюс, утрикулюс, кристы макул, вестибулокохлеарный нерв.
6. Проведены численные эксперименты по прохождению стимулирующих электрических импульсов через ткани отолитовой мембраны на высоких и низких частотах.
Разработана физико-математическая модель распространения электрического гармонического сигнала через ткани отолитовой системы. Электрофизическая модель замещения отолитовых органов вестибулярного аппарата крысы, представлялась в виде совокупности проводящих и диэлектрических областей на основе анатомической структуры, определенной из МРТ/КТ-снимков. Эквивалентная электрическая схема замещения отолитовых органов вестибулярного аппарата крысы построена на основе измеренных удельных электрофизических характеристик тканей отолитовых структур с учетом изменяющейся ионной проводимости и колебательного характера рецепторного потенциала ВК. Расчет импеданса клеточных элементов утрикулы и саккулы, сдвига фаз протекающего тока по отношению к внешнему электрическому стимулу в интервале частот 0-5000 Гц показал, что отклик ВК на внешний электрический стимул носит колебательный характер благодаря изменению ионной проводимости клетки. Установлено, резонансные частоты электрического импеданса совпадают с частотами механического резонанса.
7. Определена спектральная чувствительность отолитовой мембраны при электростимуляции на высоких и низких частотах.
С целью проверки гипотезы о соответствии частотной зависимости реакции отолитового органа на механические и электрические стимулы проведены исследования спектральной чувствительности отолитовой мембраны при электростимуляции на высоких и низких частотах. Проведены вычисления 3D-смещений слоев отолитовых мембран (утрикулы и саккулы) крысы при действии периодического механического стимула, соответствующего гармоническим колебаниям в интервале частот 0-5000 Гц с шагом 10 Гц по направлениям главных осей головы (X,Y,Z).
Для исследования частотной зависимости и спектральной чувствительности отолитовой мембраны при электростимуляции под действием периодического электрического импульса нами предложена эквивалентная электрическая схема замещения отолитовой мембраны. Проведены расчеты электрического импеданса и спектральной чувствительности утрикулы и саккулы лабораторного животного (крысы) в зависимости от частоты электрического стимула в интервале частот 0-5000 Гц. Сравнение графиков частотной зависимости спектральной чувствительности утрикулы и саккулы с частотной зависимостью смещений гель-слоя показало, что их резонансный спектр аналогичен. Это подтверждает идею, что частотная избирательность ВК к механическому и электрическому резонансу совпадает.
Все запланированные в 2023 году работы выполнены в полном соответствии с техническим заданием на проведение НИР, включая публикацию 2-х научных статей, 3 доклада на научных конференциях. Информация о проекте представлена на сайте лаборатории - http://biomed.tsu.ru/issled/granty/grant-rnf/o-proekte/.
Публикации
1. Акинина М.Д., Плешков М.О., Светлик М.В., Демкин В.П., Старков Д.Н., Зайцев В.А., Удут В.В., Кингма Г. Определение геометрических параметров и динамических характеристик вестибулярного лабиринта животного на основе цифровой рентгеновской 3D-микротомографии Известия высших учебных заведений. Физика, Т. 66. – №7. – С. 92–100 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.17223/00213411/66/7/11
2. Демкин В.П., Мельничук С.В., Светлик М.В., Смаглий Л.В., Руденко Т.В., Зайцев В.А., Алифирова В.М., Гребенюк О.В. Физико-математическая модель отолитовых структур и численное моделирование динамики слоев отолитовых мембран животных при действии механического стимула Известия высших учебных заведений. Физика, Т. 66. – №9. – С. 17–28 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.17223/00213411/66/9/2
3. - Разработка физиков ТГУ поможет в создании новых вестибулярных имплантатов сайт ТГУ, Грант РНФ от 13.01.2023 № 23-25-00259 «Многоканальная электрическая стимуляция отолитовой мембраны и полукружных каналов вестибулярного органа» (год публикации - )
4. - Работа физиков ТГУ поможет создать новые вестибулярные имплантаты Сетевое издание "Учительская газета", Грант РНФ от 13.01.2023 № 23-25-00259 «Многоканальная электрическая стимуляция отолитовой мембраны и полукружных каналов вестибулярного органа» (год публикации - )
5. - Многоканальная электрическая стимуляция отолитовой мембраны и полукружных каналов вестибулярного органа Выпуски подкастов "Качай нейрон", Грант РНФ от 13.01.2023 № 23-25-00259 «Многоканальная электрическая стимуляция отолитовой мембраны и полукружных каналов вестибулярного органа» (год публикации - )