Экспериментальное исследование параметров электрического раздражения зрительной коры с целью разработки зрительного протеза

диссертация Марианны Ивановой

статья "Свет в конце нейрона" журнал Эксперт, 2008г

Актуальность ::: Обзор литературы (ч.1) (ч.2) ::: Методы ::: Результаты ::: Обсуждение и выводы ::: Литература

Актуальность исследования зрительного протезирования

По данным ВОЗ в мире насчитывается более 37 миллионов слепых людей (ВОЗ, 2002). В настоящее время разрабатываются несколько подходов для восстановления зрительных функций у людей с необратимой слепотой, в том числе трансплантация стволовых клеток ( Haynes T ., 2004, Haruta M ., 2005), фоторецепторов ( Gouras P ., 1996 ) и клеток пигментного эпителия ( Tamai M ., 1996, Abe T ., 2002 ) в сетчатку, направленное влияние на метаболизм сетчатки ростовыми факторами ( Gao G . et al ., 2002) и другими агентами, которые замедляют гибель фоторецепторов, а также генная инженерия ( Acland G . et al ., 2001 и др. ).

Параллельно с биологическим подходом развивается протезирование зрения с помощью «мозг-компьютерных» интерфейсов (brain-computer interface – BCI). В настоящее время применяются два основных подхода: ретинальный ( Humayun M.S. et al., 1996 ) и кортикальный, в которых микроэлектродные матрицы имплантируют соответственно в сетчатку или зрительную кору головного мозга. При ретинальном протезировании обработка мозгом поступающих сигналов от сетчатки дает более качественное изображение, сходное с таковым у зрячих людей, однако важным условием является сохранность зрительных нервов, кроме того, большую проблему составляет риск отрыва матрицы при движениях глаз.

При кортикальном протезировании достаточно легкий хирургический доступ для имплантации, движение глаз не играет роли и сохранность зрительных нервов не обязательна, однако «фосфенная» карта мира ( «фосфены» - зрительные перцепции без воздействия света ), моделируемая таким способом незрячему человеку, сильно отличается от того, что мы привыкли называть зрением, потребуется период адаптации и обучения (Базиян Б.Х. и соавт., 2008), кроме того, непосредственная стимуляция микроэлектродной матрицей клеток зрительной коры головного мозга может привести к ряду нежелательных осложнений ( Dobelle W . H . et al ., 2000 ).

Поэтому для разработки кортикального зрительного протеза является критически важным выбор материала для изготовления микроэлектродов, определение безопасных параметров стимуляции коры головного мозга, а также при каких параметрах раздражающего тока (амплитуды, частоты, скважности) в безопасном диапазоне в мозге возникают «фосфены».

В доклинической фазе испытаний необходима проверка микроэлектродных матриц на способность вызывать фосфены для отладки процесса производства наиболее функциональных устройств. В качестве нейрофизиологической модели для экспериментальной оценки предлагались различные животные: приматы ( Tehovnik E . J . et al ., 2005 ), свиньи ( Gekeler F . Et al ., 2006) и другие. Основными требованиями к лабораторной модели являются сходство структурно-функциональной организации зрительного анализатора с таковой у человека, обучаемость и возможность проводить поведенческие эксперименты.

В представляемой работе мы предлагаем использовать в качестве нейрофизиологической модели кошку – животное, хорошо способное к обучению, чья зрительная система при всех известных различиях достаточно близка к человеческой и стоимость содержания которого меньше, чем приматов.

Целью

настоящего исследования является разработка экспериментальной нейрофизиологической модели для определения функциональности имплантируемого кортикального зрительного протеза при электрическом раздражении зрительной коры, и определение при этом безопасности его параметров, вызывающих фосфены, используемые для создания зрительных протезов.

Для достижения цели были поставлены следующие

задачи:

• Разработать на основе периферического и центрального условных рефлексов поведенческую нейрофизиологическую модель.
• В эксперименте имплантировать электроды кортикального зрительного протеза на разную глубину в зрительной области коры (поле 17) лабораторного животного: на поверхность коры – субдурально (эпикортикальный подход) и в глубину – 3-4 слои (интракортикальный подход).
• Определить параметры электрического раздражения зрительной коры кошки, т.е. силу тока, напряжение, длительность, полярность и частоту импульса, общую длительность трейна, количество стимулируемых электродов, при которых возникают фосфены в этих подходах.
• Провести сравнительную характеристику параметров раздражения, вызывающих фосфены, для эпи- и интракортикальной имплантации электродов и матрицы.
• На основе результатов сравнения параметров, полученных при различной локализации электродов, определить наиболее оптимальную локализацию электродов при имплантации кортикального зрительного протеза.
• Проверить с помощью разработанной поведенческой нейрофизиологической модели имплантируемые электроды кортикального зрительного протеза на функциональность.

Научная новизна

Впервые разработана поведенческая нейрофизиологическая модель на кошке для исследования имплантируемых микроэлектродных матриц кортикального зрительного протеза на функциональность. Аналогов идеи данной методики и модели и ее осуществления в России и за рубежом нет.

Впервые на кошках получены параметры электрического раздражения коры эпи- и интракортикальными электродами и проведен сравнительный анализ этих параметров с целью определения оптимального выбора соответствующих матриц для имплантации. Использованы электроды, изготовленные как в лаборатории нейрокибернетики, так и микроэлектродные платы, изготовленные фирмой «NeuroConnex» (Германия).

Научно-практическая значимость

Применение разработанной нами нейрофизиологической модели на кошке для поведенческой проверки функциональности микроэлектродных матриц открывает новые возможности в области кортикального зрительного протезирования и изучения функциональной организации и структуры зрительной системы.

Благодаря относительной простоте в применении и доступной цене она может быть использована для качественной проверки на доклиническом этапе функциональности микроэлектродных матриц . После таких экспериментов появляется возможность перейти к клиническим испытаниям на пациентах серийно производимых сертифицированных микроэлектродных матриц. Нейрофизиологическая поведенческая модель достаточно адекватно отражает характеристики параметров электрического раздражения коры, при которых индуцируются фосфены.

Основные положения, выносимые на защиту

• Разработанная поведенческая нейрофизиологическая модель позволяет проверять матрицы и электроды кортикального зрительного протеза на функциональность.
• Определены параметры электрического раздражения зрительной коры мозга кошки, которые приводят к индукции и перцепции животным зрительных вспышек-фосфенов.
• Интракортикальная имплантация микроэлектродов позволяет применять значительно меньшие токи для индукции фосфенов, чем субдуральная (эпикортикальная), что снижает количество осложнений в процессе использования протеза и позволяет значительно увеличить количество электродов.

Апробация работы

Основные результаты и положения выносимой на защиту диссертации были обсуждены в международных конференциях ARVO ( Association research in vision and ophthalmology ), США, 2008; EMBC Annual International IEEE EMBS , Канада, 2008; «Advances in ophthalmology», конференции молодых ученых, ГУ НИИ глазных болезней им. Гельмгольца, Россия, 2008 ; на ХХ съезде физиологического сообщества им. И.П. Павлова, Россия, 2007; на VII Съезде нейроофтальмологов России, НИИ нейрохирургии им. Бурденко, Россия, 2008; на XII научной конференции молодых ученых по физиологии высшей нервной деятельности и нейрофизиологии, ИВНД и НФ РАН, 2008; на конференции молодых ученых «Актуальные проблемы офтальмологии» МНТК микрохирургии глаза им С.Н. Федорова Москва, Россия, 2006. Доклад удостоен премией за лучшую работу среди молодых ученых на конференции.

Публикации

Материалы диссертации представлены в 14 публикациях (из них 3 в рецензируемых журналах), список которых приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, обзора литературы, глав с изложением методов, результатов и их обсуждения, выводов, списка литературы. Работа изложена на 133 страницах, иллюстрирована 33 рисунками и 15 таблицами. Список литературы включает 149 источников, из них 33 – на русском и 116 – на иностранных языках.

Далее >> Обзор литературы (ч.1)

Актуальность ::: Обзор литературы (ч.1) (ч.2) ::: Методы ::: Результаты ::: Обсуждение и выводы ::: Литература