Регистрация / Вход
Прислать материал

14.578.21.0079

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.578.21.0079
Тематическое направление
Науки о жизни
Исполнитель проекта
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И.Лобачевского"
Название доклада
Разработка оптических методов исследования функционирования мозга в норме и патологии
Докладчик
Доронин Максим Сергеевич
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Целью данного исследования является разработка оптических методов исследования функционирования мозга в норме и патологии, что предоставит широкую основу для усовершенствования научно-технической базы для проведения исследований высочайшего уровня в российских и зарубежных научно-исследовательских организациях. Разработка комплексного подхода для изучения функционирования мозга на всех его уровнях с использованием инновационных оптических и генетических методов позволит создавать более совершенные подходы для лечения широкого спектра заболеваний и расстройств головного мозга. Данная программа может способствовать развитию и усовершенствованию всей фармакологической отрасли за счёт усовершенствования методов не только тестирования, но и применения медицинских препаратов. Разработка математических алгоритмов управления оптическими системами позволит более продуктивно использовать имеющееся оборудование для сложных научно-исследовательских задач при значительно снижении стоимости в российских и зарубежных научно-исследовательских организациях. Развитие сложных методик анализа головного мозга позволит качественно повысить уровень исследований не только в области нейробиологии, но и в целом, биотехнологии, биоинженерии и биомедицины.
Актуальность и новизна исследования
Разработка высокоточных методов изучения мозга является одним из ключевых направлений, необходимых для развития нейробиологии. Существующие методы позволяют изучать функционирование головного мозга на разных уровнях организации, однако они обладают рядом ограничений и недостатков, что часто приводит к необходимости применения нескольких методов для решения одной задачи. Усовершенствование имеющихся технологий необходимо для снижения затрат временных и финансовых ресурсов при проведении исследований головного мозга в норме и патологии. Наибольшую сложность представляет изучение функционирования головного мозга на сетевом уровне. Однако эту проблему можно решить за счёт комбинации ряда новейших технологий, таких как оптогенетика и двухфотонная микроскопия, позволяющих достигнуть минимальной неинвазивности внешнего воздействия и высокую точность получаемых данных. Такой подход может реализоваться в результате совмещения высокоточного маркирования мишеней исследования за счёт применения оптогенентических методов и высококачественных оптических методов для получения данных. Данный подход является необходимым для разработки современных методов лечения заболеваний, например, таких как эпилепсия, для предотвращения которой можно использовать оптогенетику и оптические методы.
Описание исследования

При проведении работ использовались междисциплинарные методы и подходы, необходимые для реализации проекта.

В частности, для разработки технических принципов оптической системы высокого разрешения, разработки метода построения оптического пути для системы высокого разрешения, был проведён аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, а также проведены патентные исследования.

Кроме того, для разработки математических алгоритмов управления оптической системы высокого разрешения, разработки программы ЭВМ для анализа экспериментальных данных, разработки программного обеспечения для управления резонансным сканером, направляющим луч сканирующего двухфотонного лазера, были дополнительно проанализированы существующие методы и алгоритмы, выявлены новые алгоритмы, которые были реализованы на базе пакетов программирования Matlab и LabView.

Для разработки протокола совмещения в одной фокальной плоскости стимулирующего и сканирующего двухфотонных лазеров, разработки оптической системы высокого разрешения, включающей в себя два двухфотонных лазера и высокоскоростные резонансные сканеры, было проведено компьютерное моделирование при помощи программного обеспечения Компас, TinkerCad и других, основанное на базе теоретических принципов.

Генотипирование трансгенных животных производилось методом полимеразной цепной реакции.

Были проведены экспериментальные исследования оптической системы высокого разрешения на лабораторных образцах с использованием метода двухфотонной микроскопии и оптогенетики.

Результаты исследования

В ходе выполнения ПНИЭР получены следующие результаты:

1. Проведён аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы; патентные исследования.

2. Разработаны технические принципы оптической системы высокого разрешения.

3. Разработан метод построения оптического пути для системы микроскопии.

4. Разработаны математические алгоритмы управления оптической системы микроскопии.

5. Разработана программы ЭВМ для анализа экспериментальных данных.

6. Разработан протокол совмещения в одной фокальной плоскости стимулирующего и сканирующего лазеров.

7. Разработано программное обеспечение для управления гальванометрическим и резонансным сканерами, направляющими лучи сканирующего и стимулирующего лазеров.

8. Разработана оптическая система, включающая в себя два лазера и высокоскоростной резонансный сканер.

9. Разработан протокол генотипирования трансгенных животных  методом полимеразной цепной реакции (ПЦР).

10. Разработан метод создания и разведения трансгенных животных, несущих генетически-закодированные индикаторы и оптогенетические маркеры.

11. Разработан протокол оптической стимуляции in vivo и in vitro с использованием животных с оптогенетическими маркерами.

11. Разработаны технические требования и предложения по разработке, производству и эксплуатации продукции с учётом технологических возможностей и особенностей индустриального партнёра - организации реального сектора экономики.

Практическая значимость исследования
Создание собственной двухфотонной системы позволит снизить затраты и увеличить качество методов получаемых данных. Создание такой системы на базе имеющихся в коммерческом доступе оптических модулей и частей приведёт к созданию высокоскоростной и низко затратной оптической системы, способной сочетать высокое качество получаемых экспериментальных данных с малым уровнем инвазивности.
Создание такой системы позволит улучшить свойства микроскопа под определённые типы исследований для решения конкретных научных задач при более низкой стоимости итоговой системы. В такой системе исследователь имеет возможность выбора функционала и методов, которыми будет обладать микроскоп. Ведущие мировые лаборатории уже показали эффективность и надёжность применения самостоятельно созданных систем. Использование таких микроскопов позволяет не только увеличить качество, скорость исследования мозга, но и увеличить эффективность исследований за счёт самостоятельного обслуживания системы.
Данная оптическая система может найти широкое применение в сфере разработки и тестирования фармакологических препаратов, в фундаментальных исследованиях головного мозга в нормальных и патологических состояниях, а также в некоторых физических исследованиях.
В мировой практике развитие оптических методов стимуляции и двухфотонной микроскопии необходимо для изучения функционирования нейрональных сетей, ключевых факторов взаимодействия нейронов, кальциевой динамики нейронов и астроцитов с использованием генетически закодированных индикаторов in vitro и in vivo и оптогенетических методов для манипуляции нейрональной активностью, для изучения регуляции долговременной потенциации. Важным звеном проведения комплексного изучения мозга является разработка оптических методов регистрации получаемых сигналов, в частности, двухфотонной микроскопии.
Предполагается, что построенный в рамках реализации проекта микроскоп станет уникальным прибором, построенным на территории России, который впоследствии может быть выведен на российский рынок как самостоятельная исследовательская система. Это позволит микроскопу иметь высокие характеристики за счёт использования качественных комплектующих, а также иметь невысокую стоимость (по сравнению с зарубежными аналогами).