Многоканальная электрическая стимуляция отолитовой мембраны и полукружных каналов вестибулярного органа

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 проекта 23-25-00259

НазваниеМногоканальная электрическая стимуляция отолитовой мембраны и полукружных каналов вестибулярного органа

Руководитель Демкин Владимир Петрович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" , Томская обл

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 слова Вестибулярная 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.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

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)
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)
10.17223/00213411/66/9/2

3. Демкин В.П., Мельничук С.В., Светлик М.В., Акинина М.Д., Руденко Т.В., Алифирова В.М., Гребенюк О.В., Смаглий Л.В., Демкин О.В. Прохождение электрических сигналов через ткани вестибулярного органа при стимулировании отолитовых мембран Известия вузов. Физика, Т. 67. № 9. С. 20–30. (год публикации - 2024)
10.17223/00213411/67/9/2

4. Демкин В.П., Мельничук С.В., Светлик М.В., Руденко Т.В., Акинина М.Д., Гребенюк О.В., Смаглий Л.В., Прохоров Д.Е. Effect of electrode position on the effectiveness of multichannel electrical stimulation of the vestibular apparatus International Research Journal, Т.150. № 12 (год публикации - 2024)

5. Удут В.В., Демкин В.П., Мельничук С.В., Руденко Т.В., Светлик М.В., Акинина М.Д., Демкин О.В., Смаглий Л.В., Алифирова В.М., Гребенюк О.В. Моделирование частотной зависимости селективности и избирательности отолитовых мембран млекопитающих при электрической стимуляции вестибулярных нервов Бюллетень экспериментальной биологии и медицины (год публикации - 2025)

6. Гребенюк О.В., Светлик М.В., Алифирова В.М., Демкин В.П., Акинина М.Д., Мельничук С.В., Руденко Т.В., Смаглий Л.В., Демкин О.В., Вишневская Я.Б., Труханов А.Е. Особенности билатеральных отолитовых реакций у пациентов с нарушением равновесия вестибулярного генеза Сибирский журнал клинической и экспериментальной медицины , Т. 39. №4. (год публикации - 2024)

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Данный проект посвящен разработке комплексного подхода к совершенствованию вестибулярных имплантов (ВИ) посредством многоканальной стимуляции вестибулярных нервов полукружных каналов и отолитовых мембран. В 2024 году в рамках второго этапа проекта решалась задача по разработке комплексной электрофизиологической 3D-модели вестибулярного органа с учетом анатомической структуры отолитовых органов и полукружных каналов. Полукружные каналы и отолитовые сенсорные области внутреннего уха функционируют как интегрированная система, поэтому клиническая картина у лиц с периферическими вестибулярными расстройствами включает нарушения, как полукружных каналов, так и отолитовых органов. В связи с этим наше исследование направлено на оценку вклада отолитовых органов и полукружных каналов в нарушении вестибулярной функции на основе построения комплексной электрофизиологической 3D-модели вестибулярного органа и передаточной функции вестибулярного импланта, проведения численных экспериментов по многоканальной электрической стимуляции вестибулярных нервов и сравнения результатов in silico моделирования с in vitro экспериментами на лабораторных животных. Основные результаты работы коллектива научной лаборатории моделирования физических процессов в биологии и медицине заключаются в следующем. С целью подтверждения концепции сенсорной интеграции вестибулярной периферии разработаны методические рекомендации по дифференциальной экспресс-диагностике вестибулярной дисфункции, которая позволяет оценить и дифференцировать наличие системного нарушения вестибулярного органа. Проведены клинико-лабораторные исследования по разработанной методике для оценки статуса вестибулярного аппарата, оценки вклада отолитов и каналов в формирование вестибулярных рефлексов и оценки интерференции сигналов отолитовых анализаторов и полукружных каналов в системном нарушении вестибулярной функции. С целью получения новых знаний о механизме взаимодействия сигналов отолитовых структур и полукружных каналов вестибулярного органа и на основании результатов клинико-лабораторных исследований разработана комплексная 3D-электрофизиологическая модель вестибулярного органа, включающая пять периферийных сенсоров. В основу комплексной 3D-модели положена детализированная анатомическая структура и эквивалентная электрическая схема замещения вестибулярного органа в представлении сосредоточенных элементов c учетом расположения стимулирующих электродов, влияния межэлектродных токов утечки и частотной зависимости реактивных сопротивлений тканей вестибулярного лабиринта. Исходя из принципа оптимального соответствия работы вестибулярного протеза естественным электрофизиологическим процессам в тканях лабиринта, разработана математическая 3D-модель и получена формула для передаточной функции вестибулярного импланта с учетом электрофизических характеристик отолитовых органов и полукружных каналов. В основе нашего подхода к оптимизации передаточной функции ВИ лежат следующие положения: - разработка 3D-физико-математической модели и электрической схемы замещения вестибулярного органа в представлении сосредоточенных элементов для моделирования протекания электрических сигналов через ткани лабиринта; - представление клеточного элемента волосковых клеток (ВК) в виде параллельного резонансного контура, позволяющего имитировать внутреннюю настройку ВК на периодический электрический сигнал; - определение электрофизических данных клеточной структуры лабиринта на основе прецизионных измерений анатомических параметров и удельных электрофизических констант; - имитация амплитудно-частотной зависимости передаточной функции ВИ, ее селективности и избирательности при стимулировании гармоническим сигналом. Проведены численные эксперименты по оптимизации передаточной функции на основе in silico моделирования влияния расположения электродов и межэлектродных токов утечки на распространение синусоидального электрического тока при многоканальной стимуляции вестибулярного нерва, оценка частотной чувствительности, избирательности и селективности передаточной функции ВИ в интервале частот 300-2000 Гц, соответствующих области резонансных частот механических и электрических стимулов для отолитовых мембран. Установлено, что спектральная селективность передаточной функции уменьшается с ростом частоты электрического стимула. Максимальная частотная чувствительность и избирательность передаточной функции импланта наблюдается на резонансных частотах отолитовых мембран. Для подтверждения результатов численных экспериментов проведены лабораторные исследования многоканальной электрической стимуляции вестибулярного органа на примере лабораторных животных (крыса) in vitro. В ходе лабораторных экспериментов проводились измерения амплитудно-частотных и фазовых характеристик электрического гармонического сигнала на вестибулярном нерве и соседних электродах при последовательной стимуляции каждого из электродов. Доказано, что для эффективной стимуляции вестибулярного нерва необходимо размещать стимулирующие электроды в соответствующие анатомической структуре элементы вестибулярного лабиринта. Обнаружено, что в случае многоканальной электрической стимуляции, с каждого электрода возникают токи утечки на соседние электроды, приводящие их к ложной активации. Токи утечки с группы близко лежащих электродов превышают в совокупности величину прямого стимулирующего тока, что необходимо учитывать при проектировании ВИ. Все запланированные в 2024 году работы выполнены в полном соответствии с техническим заданием на проведение НИР, включая публикацию 4-х научных статей, 2 доклада на научных конференциях, регистрацию программы для ЭВМ. Информация о проекте представлена на сайте лаборатории - http://biomed.tsu.ru/issled/granty/grant-rnf/o-proekte/.

Публикации

Возможность практического использования результатов
Дефекты в вестибулярных сенсорах, обусловленные заболеваниями или травмами, создают проблемы, связанные с вестибулярными ощущениями. Это особенно актуально в случае двусторонней вестибулярной дисфункции, значительно снижающей качество жизни и накладывающей существенное экономическое бремя на личность и общество. Последствия вестибулярных болезней не получают такого же пристального общественного внимания, как, например, нарушение слуховой или зрительной систем. Одна из основных проблем заключается в том, что распространенность вестибулярных патологий и, следовательно, их воздействие на регистрируемую частоту клинических случаев в популяции, ошибочно считается относительно низким. Такая ситуация объясняется тем, что пациенты демонстрируют большое разнообразие симптомов, которые с применением стандартных клинических тестов чаще всего относятся к нарушениям в работе не вестибулярных систем, а, например, указывают на вертебро-базиллярную недостаточность, остеохондроз, нейродегенерацию и т.д., то есть истинная частота и актуальность этой патологии не дооценивается. Напротив, в настоящее время нарушение равновесия и неустойчивость при ходьбе являются одними из самых частых причин обращений за помощью в медицинские организации. Согласно данным литературы, 35 % людей в возрасте 40 лет и старше имеют те или иные расстройства равновесия, учащение эпизодов падений и снижение качества жизни [6]. С возрастом распространенность данных жалоб неуклонно растет, достигая 85 % среди лиц старше 80 лет [20]. Из-за трудностей, связанных с точной диагностикой и статистикой о вестибулярных расстройствах, даже самые низкие экспертные оценки отражают тот факт, что вестибулярные расстройства встречаются достаточно часто и могут поражать людей любого возраста. Актуальность проблемы фиксирует, что более 70 % пациентов с вестибулярными нарушениями теряют работу, вследствие нетрудоспособности, а качество жизни оценивается более чем на половину ниже, чем до появления болезни. Ежегодное экономическое бремя в расчете на одного пациента с вестибулярной недостаточностью, рассчитывают, как сумму затрат на обследования и использование медицинских услуг, оплату потери производительности труда и временной/постоянной нетрудоспособности. Например, экономическая оценка пациентов с доброкачественным пароксизмальным позиционным головокружением, вестибулярной мигренью или болезнью Меньера показала, что в США расходы на одного человека в год увеличиваются с 2087 до 5211 долларов в год по сравнению с обычным населением, что составляет общее ежегодное увеличение расходов общества на 60 миллиардов долларов [21]. Таким образом, затраты государства в этом аспекте представляются поистине колоссальными. В этой связи с целью оптимизации государственных затрат, направленных на решение проблемы вестибулярных заболеваний, актуальными направлениями в развитии научного задела проекта являются исследования для оптимизации диагностики с применением современных средств визуализации, совершенствования диагностики с применением методов дифференциального тестирования, лечения пациентов с вестибулярными расстройствами с применением радикальных средств – имплантацией вестибулярного протеза. Основные результаты, полученные при выполнении проекта, расширяют возможности для совершенствования вестибулярного импланта в части: - использования разработанных методических рекомендаций в лечебных учреждениях по проведению экспресс-диагностики нарушений периферического вестибулярного анализатора на уровни поражения ВА с уточнением преимущественного нарушения; - применения подхода к моделированию вестибулярного импланта с использованием комплексной электрофизиологической модели ВО с учетом отолитовых органов и полукружных каналов, которая позволяет вычислять амплитудно-фазовые характеристики результирующего тока от стимулирующих электродов на вестибулярный нерв; - применения разработанной математической модели передаточной функции ВИ для оптимизации режима работы ВИ, максимально приближенной к функциональным возможностям периферического вестибулярного аппарата в естественных физиологических условиях. Список использованных источников приведен в приложении 2.