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