Основные научные результаты 2018

В ходе выполнения работ по проекту в 2018 году получены следующие научные результаты.

  1. Проведены клинические исследования в группе 39-и пациентов с ДВД и в группе 3-х имплантированных пациентов для определения изменений в тестах вестибуло-окулярного рефлекса (ВОР), вестибуло-спинального рефлекса (ВСР) и динамической остроты зрения (ДОЗ).

Результаты тестирования групп с ДВД и имплантом (при условии выключенной стимуляции) значительно отличались от результатов здоровых субъектов в сторону ухудшения. Было показано, что включение вестибулярного импланта в режиме амплитудной стимуляции позволяет восстановить показания в проводимых тестах до нормальных. Как и ожидалось, имплантированные пациенты показали очень низкий коэффициент усиления ВОР с фазой (<0,3) в состоянии выключения системы. Улучшенные значения ВОР составляют 51% -98% от производительности, наблюдаемой в контрольной группе, что представляет собой существенное функциональное восстановление. Результаты теста показывают, электрическая стимуляция ампулярных ветвей вестибулярного нерва может быть эффективным средством восстановления рефлекторного ответа.

  1. Построена детальная анатомическая 3D модель вестибулярного органа человека на основе МРТ- и КТ-снимков высокого разрешения с расстоянием между срезами МРТ-снимка – 0.145 мм и КТ-снимка – 0.4 мм.

На основе полученных геометрических моделей измерены геометрические параметры внутреннего уха: площадь поверхности лабиринта, полный объем лабиринта, диаметры трех полукружных каналов, а также радиусы их кривизны.

Проведен сравнительный анализ электрофизиологии внутреннего уха у человека и лабораторных животных (морская свинка, крыса, кролик) для оценки возможности экстраполяции данных по лабораторным животным на человека. Наше исследование показало, что внутреннее ухо лабораторных животных и человека имеют принципиальное сходство в части морфологии, гистологии и анатомии, показатели удельной электрической проводимости сопоставимы, что дает основания для экстрополяции результатов исследований на лабораторных животных на человеческий организм.

Полученные данные по геометрическим и электрофизическим параметрам использовались при расчете электроимпедансных характеристик внутреннего уха и сравнении их с данными эксперимента, проведенного на образцах височных костей человека и морской свинки. Результаты расчетных и измеренных значений амплитудно-фазовых характеристик импульса тока при прохождении через ткани вестибулярного органа показали хорошее согласие, что подтверждает точность разработанной нами физико-математической модели вестибулярного органа по сравнению с известными моделями.

  1. Разработана физико-математическая модель распространения электрического тока через ткани вестибулярного лабиринта человека на основе экспериментальных данных о физико-химических характеристиках тканей вестибулярного лабиринта с применением эквивалентной электрической схемы замещения биологических тканей, детализированной анатомической структуры лабиринта полученной из МРТ- и КТ-снимков высокого разрешения и с учетом структуры волосковых и базилярных (поддерживающих) клеток и влияния их на импеданс вестибулярного органа.

Комплексный характер физико-математической модели вестибулярного органа обеспечивается математическим описанием физических процессов протекания электрического тока и последующей верификацией модели в сравнении с результатами натурного эксперимента над лабораторными животными и человеческими образцами.

Развит интегральный подход к описанию распространения тока через ткани вестибулярного органа, основанный на приближении квазистационарности электрического тока, разбиении объема проводящей среды на однородные элементы (трубки тока) и определении интегральных электрических характеристик с использованием анатомической структуры высокого разрешения.

На основе разработанной комплексной физико-математической модели вестибулярного органа проведено исследование распространения электрического тока к нервным окончаниям в зависимости от расположения электродов на примере морской свинки.

Сравнение рассчитанных и измеренных импедансов полукружных каналов дает хорошее согласие между собой. Результаты вычислительного и натурного эксперимента по определению амплитудно-фазовых характеристик сигнала на окончании вестибулярного нерва показали заметное влияние токов наводки на амплитуду стимулирующего импульса. Сравнение результатов проведенных расчетов с измерениями амплитудно-фазовых характеристик тока на окончаниях вестибулярных нервов позволили сформулировать требование к оптимальному расположению стимулирующих электродов и подходов к электростимулированию сенсорных структур лабиринта. Проведенные лабораторные исследования по исследованию формы сигнала, принимаемого на окончании вестибулярного нерва в зависимости от расположения электродов, показали, что оптимальным расположением электродов является: для нулевого электрода – полость внешнего слухового прохода, для ампулярных – положение в ампулах со стороны вестибулярных каналов. Оптимальным положением для этих электродов является наиболее близкое расположение электродов к купуле ампулы с хорошим электрическим контактом с тканями и жидкостями внутреннего уха.

  1. Для оценки влияния перекрестных помех проведен вычислительный эксперимент по распространению стимулирующего импульса тока через ткани вестибулярного органа человека при различных положениях и конструкции электродов.

Основой для вычислительного эксперимента являлась трехмерная анатомическая модель внутреннего уха человека, построенная на КТ-изображении с высоким разрешением – 15 мкм. В результате численного эксперимента показано, что биполярная конструкция электрода с условием, когда только один заземляющий электрод присутствует в объеме, позволяет наилучшим способом избежать перекрестных помех и увеличить количество тока, идущего в целевую зону по сравнению с другими конструкциями электродов.

Разработан дизайн экспериментального электрофизиологического исследования влияния перекрестных помех на лабораторных морских свинках.

Проведен натурный эксперимент по распространению стимулирующего импульса тока через ткани вестибулярного органа морской свинки в зависимости от положения электродов, формы и частоты импульсов, положения опорного уровня для предотвращения перекрестных помех. Получены данные о влиянии формы (гармонический и прямоугольный сигнал с разными частотными характеристиками) подаваемого сигнала на результаты эксперимента.

При стимуляции тканей вестибулярного лабиринта гармоническим сигналом установлено, что амплитуда принимаемого сигнала мало зависит от частоты и составляет менее 50 % от амплитуды стимулирующего сигнала.

Сдвиг по фазе принимаемого сигнала изменяется незначительно. Подтверждена ранее выдвинутая гипотеза о возможности «нейтрализации» образующихся перекрестных помех путем генерации компенсирующего импульса на двух остающихся основных подающих электродах. Наличие такого сигнала с противофазой приводит к уменьшению амплитуды стимулирующего сигнала на нерве. 

  1. Разработана 3D модель, описывающая передаточную функцию между органами чувств в вестибулярном лабиринте человека и нейронами в ганглии Скарпы.

Импланты вестибулярного аппарата заменяют естественный лабиринт, выходной сигнал которого сильно уменьшен или отсутствует из-за патологии механической и/или нервной части.

Выход вестибулярного импланта соединяется на уровне нервных волокон с вестибулярной системой, замещая естественный выход лабиринта. Передаточная функция (ПФ) описывает процессы преобразования механического стимула в электрический в конечных органах лабиринта, то есть амплитудные и фазовые характеристики системы в зависимости от частоты входного сигнала.

В рамках данного исследования были получены «механические» передаточные функции каждого из полукружных каналов и отолитовых органов, в которых входным сигналом является вращательное или линейное ускорение соответственно, а выходным – смещение механорецептора сенсорного органа – купулы или отолитовой мембраны.

Получены «механо-электрические» передаточные функции полукружных каналов и отолитовых органов, связывающие ускорение на входе с частотой нервной импульсации в первичных афферентных нейронах ганглия Скарпы.

Представленная 3D модель передаточных функций сенсорных органов вестибулярного органа позволяет предсказать ответ нерва на любой внешний механический стимул в рамках нормальной чувствительности каналов – от 0.1 до 10 Гц и отолитов – от 0 до 1 Гц.

  1. Разработана 3D модель, описывающая передаточную функцию между органами чувств в вестибулярном лабиринте человека и вестибуло-окулярным рефлексом, восприятием движения и вестибуло-спинальным рефлексом.

Разработка модели состояла, в первую очередь, в исследовании механизмов восприятия движения и последующей реакции на них.

Для достижения поставленной цели были определены ПФ изучаемых рефлексов и разработаны ПФ конечных органов вестибулярного аппарата. Передаточные функции конечных органов основывались на физических моделях динамики сенсоров вестибулярных органов.

Разработанная физико-математическая 3D модель ПФ представляет собой динамическую систему, входом которой являются векторы угловой скорости и гравито-инерциальной силы, а выходами – реакция субъекта на представленное движение в виде вестибуло-окулярного рефлекса, вестибуло-спинального рефлекса и восприятия движения, то есть их амплитудно-фазовые характеристики в зависимости от частоты входного сигнала. Физико-математическая модель передаточной функции основана на представлениях о физических процессах в сенсорах вестибулярного аппарата и физиологических ответах нервной системы в результате обработки поступающей с сенсоров информации.

Таким образом, разработанная 3D физико-математическая модель передаточной функции включает в себя: механизмы преобразования механического сигнала в электрический и обработку электрического сигнала ЦНС, результатом которой является вестибуло-окулярный рефлекс, перцепция или вестибуло-спинальный рефлекс.

Модель основана на передаточных функциях различных участков преобразования механического стимула в рефлекторный ответ и позволяет предсказать рефлекторный ответ на внешний стимул движения.

Данная модель в дальнейшем будет использована для оптимизации передаточной функции вестибулярного импланта с целью восстановления вестибулярной функции и 3D оптимизации характеристик стимула на уровне вестибулярного нерва для того, чтобы вызвать вестибуло-окулярный рефлекс, восприятие движения, динамическую остроту зрения и контроль равновесия с использованием комплексной математической модели.

 

Таким образом, полученные на данном этапе научные результаты являются основой для дальнейшей работы по получению новых знаний о механизмах стимуляции вестибулярных нервов, о взаимодействии сенсорных сигналов и влиянии их интерференции на качество вестибуло-окулярных рефлексов, восприятия движения и вестибуло-спинального рефлекса, что будет способствовать совершенствованию вестибулярного импланта и соответственно повышению качества жизни пациентов с вестибулярной дисфункцией.