Регистрация / Вход
Прислать материал

14.578.21.0074

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.578.21.0074
Тематическое направление
Информационно-телекоммуникационные системы
Исполнитель проекта
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И.Лобачевского"
Название доклада
Разработка нейрокогнитивной оптоэлектронной системы стимуляции и синхронизации нейронов мозга
Докладчик
Казанцев Виктор Борисович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Целью настоящего исследования является разработка нейрокогнитивной оптоэлектронной системы стимуляции и синхронизации нейронов мозга. Данная система предназначена для сопряжения искусственных электронных нейроподобных элементов с живыми нейронами мозга. Создание интерфейса с живыми нейронами мозга представляет интерес для перспективных биомедицинских приложений, связанных с нейропротезированием. Также в ходе выполнения проекта разрабатывался принципиально новый метод интраоперационного определения границ глиальных опухолей головного мозга.

Для достижения цели исследования были поставлены и решены следующие задачи:
1) Разработка и исследование макета блока генерации нейроподобных колебаний, демонстрирующего основные особенности динамики нейронов.
2) Разработка макета оптоэлектронного блока, воспроизводящего динамику синаптического контакта.
3) Разработка экспериментального образца нейрокогнитивной оптоэлектронной системы стимуляции и синхронизации нейронов мозга.
4) Разработка метода сопряжения технических систем с живыми нейронами мозга и экспериментальное исследование стимуляции и синхронизации активности живых нейронов.
5) Разработка метода интраоперационной оценки границ глиальных опухолей головного мозга.

Решение поставленных задач позволило разработать экспериментальный образец нейрокогнитивной оптоэлектронной систем стимуляции и синхронизации нейронов мозга и провести его экспериментальные исследования.
Актуальность и новизна исследования
Разработка перспективных устройств обработки информации, воспроизводящих информационно-вычислительные функции мозга или основанных на интерфейсе с нейронами мозга, становится в настоящее время одним из прорывных направлений современной науки и технологий. Это связано, прежде всего, с перспективными медицинскими приложениями – созданием искусственных нейрочипов-имплантов. Нейрочипы представляют собой электронные устройства, воспроизводящие динамику определенной области мозга, что способствует замещению утраченных функций. Другим актуальным направлением является приложение таких устройств к информационно-телекоммуникационным задачам – интеллектуальным системам автоматического управления и синхронизации, системам распознавания, кодирования и декодирования информации. Вычислительные способности мозга давно привлекают исследователей, поскольку реализуемые в живых нейронных сетях принципы и механизмы обработки информации существенно отличаются от заложенных в современной вычислительной технике, и их использование позволит значительно изменить подход к созданию устройств обработки информации.
Своевременность решения данных задач обусловлена, с одной стороны, успехами современной нейронауки, позволяющей получать данные о процессах, происходящих на уровне сетевой организации клеток мозга, и, с другой стороны, развитием технологий создания электронных устройств.
Интерес к этому направлению объясняется необходимостью новых прорывных технологий в высокотехнологичном секторе экономики, в частности, в современных информационных технологиях и медицинских приложениях.
Описание исследования

Проводимое исследование носит принципиально междисциплинарный характер, поскольку включает задачи из различных областей науки. Для выполнения задач проекта привлекались специалисты из области электроники для разработки электронных нейроподобных генераторов, нелинейной динамики для теоретического исследования сложных колебательных систем, оптики для разработки оптоволоконных устройств, биологии для проведения экспериментов с образцами живых нервных клеток мозга и нейрохирургии для разработки методов обнаружения границ глиальных опухолей головного мозга. 

На первых этапах выполнялись теоретические исследования, направленные на получения сведений о динамике отдельных компонентов разрабатываемой системы. Было проведено математическое моделирование динамики отдельного нейроподобного элемента со сложнопороговым возбуждением. Математическое моделирование позволило подробно изучить возможные динамические режимы и выделить области параметров, в которых наблюдаются данная динамика. Для перехода к аппаратной реализации блока генерации нейроподобных колебаний было проведено исследование в пакете схемотехнического моделирования MicroCap, которое позволило изучить возможные схемотехнические решения и влияние параметров элементов на динамику. Было показано, что предложенное схемотехническое решение соответствует исследованной теоретической модели и может быть реализовано в аппаратном виде. Для разработки оптоэлектронного блока, воспроизводящего динамику синаптического контакта, было также проведено математическое моделирование, которое показало возможность реализации большого количества динамических режимов и области их существования. 

Для разработки методов сопряжения живых и искусственных нейронов было проведено математическое моделирование динамики нейронных сетей мозга. Нейронные сети мозга обладают невероятно сложной динамикой, но при определенных условиях, в том числе при моделировании внешней электрической стимуляции, они способны генерировать паттерны синхронной активности. Было изучено влияние параметров стимуляции на возможность синхронизации активности. На основании результатов математического моделирования был разработан метод сопряжения технических оптоэлектронных систем с живыми нейронами мозга. В экспериментах с образцами живых нейронов мозга – культурами нейронов гиппокампа мыши, выращенными на мультиэлектродной подложке, были изучены основные параметры внеклеточной электрической стимуляции нейронов, приводящие к появлению вызванной синхронной активности. 

На основе результатов математического и схемотехнического моделирования были разработаны макеты блока генерации нейроподобных колебаний и оптоэлектронного блока, воспроизводящего динамику синаптического контакта, а также экспериментальный образец нейрокогнитивной оптоэлектронной системы. Были проведены лабораторные испытания и экспериментальные исследования полученных экспериментальных объектов, которые показали соответствие полученных объектов условиям технического задания и результатам теоретических исследований. 

Были проведены экспериментальные исследования экспериментального образца нейрокогнитивной оптоэлектронной системы по возможности сопряжения с живыми нейронами мозга и синхронизации их активности на примере стимуляции нейронов переживающего среза гиппокампа мыши. 

Выделенным направлением исследования была разработка алгоритма и метода интраоперационного определения границ глиальных опухолей головного мозга при помощи нейрокогнитивной оптоэлектронной системы стимуляции и синхронизации нейронов мозга. Данное направление развивалось во взаимодействии с практикующими нейрохирургами ФГБУ "Приволжский федеральный медицинский исследовательский центр" Минздрава России. Был разработан метод определения границ глиальных опухолей головного мозга и показана возможность использования экспериментального образца нейрокогнитивной оптоэлектронной системы для  этой задачи. Исследования проводились на крысах линии Wistar с перевитой глиальной опухолью мозга.

Результаты исследования

В ходе выполнения проекта был разработан экспериментальный образец нейрокогнитивной системы стимуляции и синхронизации нейронов мозга. Основными блоками системы является блок генерации нейроподобных колебаний и оптоэлектронный блок, воспроизводящий динамику синаптического контакта. Блок генерации нейроподобных колебаний представляет собой электронный генератор, способный воспроизводить основные динамические свойства нейрона - наличие порога возбуждения и возможность генерации импульсов определенной формы. Разработанный блок основан на математической модели нейрона со сложнопороговым возбуждением. Оптоэлектронный блок, воспроизводящий динамику синаптического контакта, основан на оптоволоконном лазере с модуляцией накачки или модуляцией потерь и способен активно преобразовывать входную последовательность импульсов нейроподобного генератора, что в определенной степени похоже на принцип работы синапса - межнейронного контакта. Для осуществления электрической стимуляции нейронов оптоволоконный канал оснащен оптоэлектрическим преобразователем. Использование оптического волокна для передачи сигнала между электронным и живым нейроном обеспечивает гальваническую развязку, что исключает возможность поражения живых нейронов высоким напряжением.

Были проведены экспериментальные исследования возможности сопряжения живых нейронов и блока генерации нейроподобных колебаний посредством оптоволоконного канала с оптоэлектрическим преобразователем. Параметры допустимых электрических сигналов были получены в рамках разработки метода сопряжения искусственных электрических систем с живыми нейронами мозга. Показана возможность стимуляции активности живых нейронов при достаточной амплитуде внешнего воздействия. При этом ответы живых нейронов синхронизированы с сигналом нейроподобного генератора, что проявляется в увеличении амплитуды вызванного полевого потенциала, обусловленного одновременной активацией большого количества нейронов. При высокой частоте стимуляции наблюдается явление десенситизации - снижение чувствительности нейронов к внеклеточной стимуляции.

Показана возможность использования экспериментального образца нейрокогнитивной оптоэлектронной системы стимуляции и синхронизации нейронов мозга для определения границ глиальных опухолей головного мозга. На сегодняшний день одним из самых распространенных методов интраоперационной диагностики опухолей является использование фотосенсибилизаторов – специфических веществ, которые селективно накапливаются в опухолевой ткани и флюоресцируют в ответ на возбуждение светом определенной длины волны. Недостатком описанного метода является неравномерное накопление красителя в зависимости от степени злокачественности опухоли. Разработанный метод является принципиально новым и основан на электрофизиологических различиях тканей мозга и опухоли. При электрической стимуляции нейронов мозга наблюдается ответ характерной формы, в то время как стимуляция опухолевой ткани не вызывает ответа, наблюдается только артефакт от стимула, поскольку глиальные клетки, составляющие опухоль, являются электрически невозбудимыми. Проведены экспериментальные исследования по обнаружению опухолевых участков мозговой ткани при помощи экспериментального образца нейрокогнитивной оптоэлектронной системы на крысах линии Wistar с перевитой опухолью мозга.

Полученные результаты соответствуют мировому уровню.

Практическая значимость исследования
Исследование и разработка интерфейсов между искусственными электронными устройствами и живыми нейронными сетями мозга является высоко актуальной задачей, востребованной в области реабилитационной медицины для построения систем управления протезами с биологической обратной связью и нейропротезирования.
Следует отметить, что подобные нейрокогнитивные системы стимуляции и синхронизации нейронов мозга посредством оптоэлектронного интерфейса между искусственными нейроподобными генераторами и живыми нейронами мозга разрабатываются впервые. В отличие от существующих методов оптогенетики предлагаемый подход не требует дорогостоящих и технически сложных генетических модификаций. Взаимодействие будет осуществляться через оптоволоконные блоки с фотодетектированием, что позволяет воздействовать на электровозбудимые биоткани непосредственно электрическим сигналом. Для мониторинга тканей и клеток, не обладающих возбудимыми свойствами, система будет совмещаться с флуоресцентными индикаторами, в частности, для задач точной локализации и диагностики новообразований.
Полученные результаты безусловно найдут применение в прикладных областях науки и практической медицине. Разработанный экспериментальный образец с минимальными доработками способен перейти на стадию клинических испытаний в решении задач интраоперационного определения границ глиальных опухолей мозга.
Полученные результаты по разработке аппаратных моделей нейроподобных генераторов имеют практическую значимость для построения аппаратных искусственных нейронных сетей для обработки информации, адаптивного управления и других прикладных задач. Разработанный метод сопряжения искусственных нейронных сетей с живыми нейронами даст развитие перспективному направлению нейропротезирования. Построение нейропротезов основано на создании аппаратных искусственных нейронных сетей, которые воспроизводят функцию определенного участка мозга за счет организации взаимодействия между электронным чипом и живой нейронной сетью мозга. Передовые исследования в данном направлении начаты несколькими мировыми центрами в последнее десятилетие, но что говорит об актуальности и перспективности проведенных исследований.