Біологічні науки/11.Біоінженерія і біоінформатика

І.В.Богайчук¹, М.І.Козій¹, С.В.Зубков²

¹ магістр, ² старший викладач ФБМІ, НТУУ «КПІ ім. І.Сікорського» (м. Київ)

Нейростимуляція: сучасне бачення

Резюме. У статті проаналізована методика нейростимуляції постійним струмом, обґрунтовано актуальність дослідження сигналів стимуляції змінним, імпульсним та випадковим струмом різної форми.

Ключові слова: нейростимулятор, мікрополяризація, транскраніальна і трансвертебральна стимуляція.

Вступ. Розглядається проблема відновлення центральної регуляції функцій організму людини при широкому спектрі неврологічних захворювань з використанням транскраніальної (ТКМП) і трансвертебральной (ТВМП) мікрополярізації(МП). Механізми впливу на нервову тканину малих постійних струмів можуть бути тотожними фізіологічним процесами, які забезпечують діяльність нервової тканини [1, 2, 3]. ТКМП і ТВМП поєднують неінвазивність з досить високим ступенем вибірковості впливу[1, 5]. При широкій сфері використання в Україні сертифікована методика впливу постійним струмом. Великий інтерес викликає вплив змінним струмом, за допомогою якого збільшується глибина і покращується локалізація дії. Актуальність дослідження стимуляції змінним, імпульсним та випадковим струмом підтверджена сучасними дослідженнями провідних університетів світу, які показують високу ефективність методу мікрополяризації при лікуванні неврологічних хворих з патологією рухів, затримкою психічного розвитку, порушенням мови, зору, епілепсії та інших захворювань з використанням сигналів різної форми.

Мета. Моделювання і дослідження характеристик стимулів нейростимулятора в елементах системи «електрод–шкіра–організм людини», а також їх оптимізація. Описати методику стимуляції для проведення процедур МП низкоамплітудним електричним струмом.

Матеріали і методи. Базуючись на обраній тематиці опрацювали матеріали за напрямками: параметри сигналів, характеристики нейростимулятора, область накладання електродів, дослідження впливу струмом різної форми.

Для дослідження методики стимуляції використали нейростимулятор, сконструйований на основі пристрою фірми «Риамед-Полярис». Апарат використовується як стенд для проведення нейростимуляції струмами різної форми. Також підібрано програмне забезпечення, що дозволило віртуально створити модель, оцінити правильність вибору сигналу. Для побудови сигналів і моделювання було обрано пакет MicroCap – 9, LabVIEW та інші. Всі вибрані програми мають демонстраційну або обмежену у функціоналі версію, що підходить для вирішення поставлених цілей.

Результати дослідження та їх обговорення. Аналіз шляхів поширення струму при неінвазивному впливі вимагає врахування можливих біофізичних механізмів дії слабкого струму на мозок через нашкірні електроди. Кількість енергії, що подаємо на пацієнта та глибина проникнення сигналу – є критеріями ефективності стимуляції, оскільки, за рахунок коректного вибору цих параметрів, зменшується період лікування та збільшується результативність. Основний принцип полягає в отриманні оптимального фізіологічного ефекту за умови мінімальної побічної дії, що визначає використання різних струмів залежно від збуджуваності тканин та їхнього функціонального стану. Дослідження струмів з різною формою імпульсів (прямокутною, синусоїдальною) проведено у MС – 9 за допомогою математичних формул та перетворень при різній тривалості (від 1 до 300мс) і модуляції їх у серії різної тривалості та частоти (до 40хв, від 1кГц до 100кГц) при величині сили струму до 1мА. Подача і відображення сигналу впливу проводилось з використанням генератора PCGU з частотою 5, 50 та 100кГц. Перед процедурою ТКМП електроди, попередньо змочені розчином, розміщують на вибрані коркові проекції головного мозку за енцефалографічними відведеннями. При проведені процедури ТВМП електроди, попередньо змочені розчином, розміщуються на вибраних сегментарних проекціях вздовж хребетного стовпа, по можливості залишивши відстань між електродами 2 – 4 см. Процедура розпочинається з плавного наростання сили струму. Рекомендована сила струму для ТКМП 200 – 400 мкА, для ТВМП 300 – 600 мкА. Тривалість однієї процедури 20 – 40 хвилин. Весь курс займає 10 – 15 сеансів. Для дослідження параметрів стимуляції в елементах системи «електрод–шкіра–організм людини», створили модель нервових клітин і протестували в лабораторних умовах на зразках синаптосом. Синапси поділяють на збуджувальні та гальмівні залежно від того, який нейромедіатор виділяється збуджувальними або гальмівними нейронами. Відповідно вивільнення певного нейромедіатора може гальмувати або пришвидшувати проходження реакції. Саме цей процес і принципи його контролю на даний момент досліджуються.

Висновки. Вирішення проблеми регуляції функцій організму з введенням оптимальної методики нейростимуляції дозволить знизити обсяг і терміни лікування. Визначено параметри мікрополяризації з врахуванням технічних вимог для нейростимулятора. Ці дані використані для створення стенду, у побудові методики і є опорним документом для тестування результатів.

Література:

1. Шелякин А. М. Микрополяризационная терапия в детской неврологии // И. Г. Преображенская, О. В. Богданов. – М: Медкнига, 2008. – 118с.

2. Шелякин А. М. Микрополяризация мозга. Теоретические и практические аспекты // Г. Н. Пономаренко – Санкт-Петербург, 2006. – 224с.

3. Илюхина В. А. Транскраниальная микрополяризация в физиологии и клинике // Ю.К. Матвеев, Е.М. Чернышева. – Москва, 2006. – 192с.

4. Transcranial electrical stimulation (tES - tDCS; tRNS, tACS) methods. [Електронний ресурс]. – 2014. – Режим доступу до ресурсу: https://www.researchgate.net/publication/ 279322740_Transcranial_brain_stimulation_Potential_and_limitations

5. Transcranial brain stimulation. [Електронний ресурс]. – 2011. – Режим доступу до ресурсу: https://www.researchgate.net/publication/ 51549707_Transcranial_electrical_stimulation_tES_-_tDCS_tRNS_tACS_methods