14.607.21.0092

Проект направлен на разработку нового устройства для нейрофотоники – волоконно-оптического нейроинтерфейса, предназначенного для решения фундаментальных задач исследования мозга, включая изучение процессов формирования памяти и обучения живых животных в свободном поведении.

Cуществующие методики in-vivo визуализации обладают рядом существенных недостатков, связанных с нестабильностью систем визуализации, ограничениями по глубине зондирования, сложностями при проведении долговременных экспериментов и существенно ограниченной функциональностью. Данный проект направлен на преодоление практически всех существующих ограничений. В ходе его выполнения на основе научных результатов приоритетного характера будут разработаны и реализованы оптоволоконные нейроинтерфейсы, интегрированные с целым рядом техник оптической и нелинейно-оптической визуализации с высоким пространственным и временным разрешением, а также стимуляции нейронной активности. Будут разработаны нейроинтерфейсы с уникальной возможностью хронической регистрации и стимуляции активности одиночных нейронов и целых популяций клеток.

Данный этап является фактически оценивает разработанные на предыдущих этапах оптоволоконные интерфейсы в системах in vivo – на экспериментальных животных в моделях, предназначенных для оценки процессов формирования памяти и обучения в том числе длительный период времени. Следовательно, результаты данного этапа позволяют оценить корректность экспериментального подхода и эффективность созданной экспериментальной базы. Именно этот этап показывает насколько достигнута цель ПНИ - разработки оптоволоконных нейроинтерфейсов  для  исследования  процессов формирования памяти и обучения живых свободноподвижных животных. Макеты оптоволоконных нейроинтерфейсов изготовлены, разработано ПО на макеты, разработан, изготовлен и прошел первичную аттестацию на стенд для оптимизации технических решений нейроинтерфейсов и разработано ПО на стенд. Разработанные оптоволоконные нейроинтерфейсы превосходят существующие на данный момент аналоги и конкурирующие методики по уровню локальности, инвазивности и возможности долговременной регистрации. На основе полученных данных разработан стенд для для проверки жизнеспособности, наличия изменений в поведении и когнитивных функций экспериментальных животных, на который разработана ЭКД и ПО. С другой стороны, разработана «биологическая часть» проекта - разработаны методики и методические подходы для вживления и фиксации оптоволоконных нейроинтерфейсов, которые обеспечивают проведение биологических исследований в течение 60 дней, т.е. обеспечивают исследования  процессов формирования памяти и обучения живых свободноподвижных животных, проведено исследование биосовместимости НИ на уровне клеток и тканей, проверена стабильность крепления НИ и его влияние на способность животных к формированию и воспроизведению долговременной памяти и обучению новым навыкам в стандартных лабораторных моделях долговременной памяти.

Показано, что проинтегрированная в окне 100 нм спектральная плотность мощности сигнала у мышей линий Zif-EGFP и Thy1-Channelrhodopsin-YFP  два порядка больше чем у мышей линии Fos-EGFP и Brainbow-1.0 (dTomato). Установлено, что минимально детектируемая концентрация флуоресцентно отмеченных нейронов при больших объемах зондирования для мышей линии Fos-EGFP составляет n = 5∙10^-6 мкм^-3; для мышей линии Thy1-Channelrhodopsin-YFP n = 95 мм^-3.  Доставленные по волноводам широкополосные чирпированные импульсы обеспечили возможность КАРС спктроскопии с разрешением до 15 см^-1.  Показано, что для исследования одного нейрона мыши линии Fos-EGFP в соматосенсорной, париетальной  и моторной коре возможно использовать волокно с d core = 50 мкм и NA = 0.12, а для прелимбической и цингулярной коры, зубчатой фасции гиппокампа и миндалина - волокно с d core = 105 мкм и NA = 0.12.
Разработаны и изготовлены макеты оптоволоконных нейроинтерфейсов, в том числе  комплекты ЭКД и программная документация (ПД). Изготовлен и аттестован стенд для оптимизации технических решений (ЭКД и ПД). Были выбраны оптические волокна, обеспечивающие возможность достоверной регистрации флуоресцентного сигнала из мозга трансгенных животных (Zif-EGFP). Разработана и экспериментально обоснована  методика вживления оптоволоконного нейроинтерфейса. Показано, что наилучшие результаты выживаемости через 24 часа после наркотизирования были получены при использовании сочетания золетила в дозе 40 мг/кг и рометара в дозе 5 мг/кг – выживаемость составила 86,7%, и была достоверно выше, чем в случае введения золетила в дозе 60 мг/кг или 50 мг/кг и рометара в дозе 5 мг/кг (p<0.05, критерий χ²).  Разработан протокол вживления оптического волокна нейроинтерфейса в заранее выбранную структуру мозга живого животного. Показано, что наиболее эффективным является 2 стадийная фиксация оптоволоконного нейроинтерфейса только цианакритным клеем «СуперМомент» (Henkel, Ирландия) и затем через 5 минут смесью порошка зубного цемента (Stoelting, США) и цианакрилатного клея, смешанных в соотношении 1:1. В этом случае потеря оптоволоконного нейроинтерфейса в течение 60 дней наблюдения зафиксирована только у одного животного из 7, что составляет около 14%, причем потеря нейроинтерфейса наблюдалась на 50 день наблюдения,  позволяет обеспечить требуемое качество фиксации для долговременного исследования экспериментальных животных с вживленным нейроинтерфейсом (30 дней согласно п. 4.2.3.5 ТЗ Соглашения). Разработаны методики управления количеством нейронов, стимулируемым и регистрируемым нейроинтерфейсом.  В результате работ четвертого этапа показано что разработанный макет оптоволоконного нейроинтерфейса не является цитотоксичным для культуры клеток и биологически совместимым с тканями головного мозга мыши;По результатам проведенных исследований можно сделать вывод, что вживленный нейроинтерфейс не оказывает влияния на поведение, двигательную активность, тревожность и когнитивные функции у мышей. Не было выявлено влияние оптоволоконных нейроинтерфейсов на способность животных к формированию и воспроизведению долговременной памяти, а также к обучению новым навыкам. Было показано, что отношение сигнала к фону в случае одновременной регистрации двух маркерных красителей в мультиплексном режиме с помощью обновленного программного обеспечения составляет для каждого из красителей: 2.1 ± 0.7 (EGFP) и 6.7 ± 3.6 (m-Cherry). 

Разрабатываемые нейроинтерфейсы предназначены для долговременной мультиплексной регистрации отклика флуоресцентных маркерных белков, а также для фотостимуляции нейронной активности в глубоких слоях мозга живых свободноподвижных животных. Результаты исследования позволят создать инструменты для решения задач современной нейробиологии и медицины, связанных с изучением когнитивных функций животных, а так же создадут предпосылки для передовых мозгомашинных интерфейсов. Создание указанных устройств позволит сделать существенный скачок в понимании фундаментальных основ развития патологии и механизмов заболевания головного мозга, и разработать новые инновационные лекарственные средства и способы лечения, которые являются перспективными с точки зрения получения национальных и международных патентов.