Учёными Университета Лобачевского совместно с коллегами из Технического Университета Мадрида (Испания) впервые был предложен и разработан оптоэлектронный интерфейс для взаимодействия электронных нейроподобных генераторов и живых нейронов мозга.
В последние несколько десятилетий исследования подходов по восстановлению функционирования мозга экспоненциально возросли. Междисциплинарный подход к задаче восстановления функционирования мозга объединяет взаимодополняющие подходы и методы регенеративной медицины, с одной стороны, и нейроинженерии, с другой стороны. Биологические подходы основаны на активации регенерационной способности мозга и на трансплантации клеток, тогда как в инженерные стратегии включают методы нейромодуляции, создания замещающих или мостовых нейропротезов или разработки мозг-машинных интерфейсов. Инженерный подход заключается в создании биогибридной архитектуры, которая так или иначе связывает искусственное управляющее устройство с мозгом: препятствует нейрональной активности или же наоборот инициирует нейрональную активность.
По словам младшего научного сотрудника Научно-исследовательского физико-технического института и кафедры нейротехнологий Университета Лобачевского Светланы Герасимовой, учёными ННГУ совместно с коллегами из Технического Университета Мадрида (Испания) впервые был предложен и разработан оптоэлектронный интерфейс для взаимодействия электронных нейроподобных генераторов и живых нейронов мозга (рис. 1).
«Отличие разработанного интерфейса от существующих способов воздействия на нейроны мозга состоит в использовании оптоволоконного канала для передачи сигнала от искусственного электронного нейрона к живым (рис. 2). При этом в отличие от известных методов оптогенетики для стимуляции не требуется проводить технически трудных и дорогостоящих генетических модификаций нейронов. Стимуляция осуществляется при помощи электрического сигнала, воздействующего на живые нейроны, полученного при помощи фотоэлектрического преобразования на выходе оптического волокна», – подчёркивает Светлана Герасимова.
Рисунок 2 – Схематичная иллюстрация оптоэлектронного устройства при стимуляции синаптической передачи в срезе гиппокампа мыши.
Как отмечает Михаил Мищенко, научный сотрудник кафедры теории колебаний и автоматического регулирования радиофизического факультета ННГУ, главным преимуществом использования оптического волокна вместо традиционных металлических проводов является гальваническая развязка, исключающая возможность электрического повреждения тканей мозга за счет пробоя или электромагнитных воздействий.
«Кроме того, оптическое волокно обеспечивает и другое важное преимущество: эффективность рассматриваемого интерфейса в воздействии на нейроны мозга может быть увеличена путем использования активного оптического волокна вместо пассивного. Это позволит организовать адаптивную стимуляцию, эффективность которой будет зависеть от текущего состояния оптоволоконного канала, что воспроизводит эффекты синаптической пластичности», – делает вывод Михаил Мищенко.
Показана эффективность разработанной системы в стимуляции электрофизиологической активности нейронов в переживающем срезе гиппокампа. Разработанная система может быть использована в разработке адаптивных систем восстановления активности мозга или замещения участков после повреждений в результате травмы или нейродегенеративных заболеваний. Материалы исследования опубликованы в журнале «Opera Medica et Physiologica» (2018. Vol. 4, № S1. P. 90-91). Авторы исследования: С.А. Герасимова, М.А. Мищенко, А.В. Лебедева, А.Н. Писарчик, В.Б. Казанцев.
