Лабораторія нейропротезів, Інститут трансляційної біомедицини

Наукові інтереси:

В останні десятиліття досягнуто суттєвого прогресу у вивченні структури та функції нейронних мереж спинного та головного мозку. Розроблено сучасні біоінженерні технології для штучного керування функціями ЦНС при патології. Проведені в минулому дослідження (Gerasimenko et al. 2008; Courtine et al. 2009; Musienko et al. 2009, 2011, 2012) ставлять конкретні завдання з оптимізації алгоритмів нейропротезування, створення моделей нейромоторних захворювань для in-vivo апробації, на нервову систему, а також трансляції готових лікувальних методів до клінічної практики. Цим завданням присвячено роботу в Лабораторії нейропротезів.

Основні напрямки:

• Дослідження структурно-функціональної організації нейронних мереж спинного мозку, відповідальних за сенсомоторну та соматовісцеральну інтеграцію
• Створення експериментальних моделей уражень спинного мозку (пороки розвитку, артрогрипоз, нейродегенеративні захворювання)
• Застосування електрохімічних нейропротезів, що імплантуються, при плегіях різної етіології.
• Розробка нових неінвазивних підходів штучного керування спинальних нейронних мереж

Співробітники лабораторії:

• к.б.н. Наталія Меркульєва, постдок

• Олег Горський, науковий співробітник

• Олена Володимирова, інженер

• к.б.н. Марія Баршутіна, постдок

• к.б.н. Дана Калініна, постдок

• Юрій Сисоєв, науковий співробітник

Проводитьсяконкурс (!)на вакантні ставки:

- Наукових/старших наукових співробітників (2 ставки)

Запрошуються студенти 4-5 курсів для підготовкибакалаврських/магістерських дипломних робіт за наведеними нижче тематиками

Бажаючим увійти до команди Лабораторії нейропротезів

надсилати своє резюме на [email protected]

Актуальні напрямки робіт

Дослідження структурно-функціональної організації нейронних мереж спинного мозку, що контролюють локомоторну активність

• Проект присвячений вивченню структурно-функціональної організації нейронних мереж спинного мозку, що запускають та контролюють локомоторні програми. Що дозволяє нам точно переміщатися у просторі? Як здійснюється тонка інтеграція між сенсорною інформацією від локомоторного апарату та патернами м'язової активності (сенсомоторна інтеграція)? Як здійснюється зв'язок між програмами управління рухом та сигналами від внутрішніх органів (вісцеромоторна інтеграція)? Відповісти на ці питання допоможе комплексний підхід, що поєднує нейроморфологічні та нейрофізіологічні методи. Аналіз патернів розподілу в сірій речовині спинного мозку сенсорних нейронів, інтернейронів та мотонейронів, а також їх подальша суперпозиція у 2-мірних та 3-мірних моделях дозволяють з'ясувати структурну організацію спинальних інтегративних мереж. А нейрофізіологічні методи мультиклітинної реєстрації нейрональної активності при локомоції – відповісти на запитання про їхню роботу під час різних актів локомоції.

Розробка та отримання біосумісних електропровідних композитів медичного призначення на основі вуглецевих наноматеріалів

• Проект присвячений розробці електропровідних та біосумісних композитів, призначених для створення електродів нейрональних імплантів. В якості основи для отримання композитів будуть використані вуглецеві матеріали, силікон та полімери, що проводять.У ході реалізації проекту має бути відпрацьовано методику отримання композитів різного складу, проведено випробування їх механічних, електричних та біологічних властивостей, а також знайдено оптимальні рецептури для виготовлення біосумісних електропровідних композитів медичного призначення.

Розробка та одержання наноструктурованих силіконових поверхонь для створення біосумісної матриці нейрональних імплантів

• Проект присвячений отриманню біосумісних наноструктурованих поверхонь із силікону та його композитів, призначених для створення матриці нейрональних імплантів. У ході реалізації проекту повинні бути відпрацьовані методики отримання наноструктурованих поверхонь методами рентгенівської, іонно-променевої та електронної літографії, проведено випробування механічних та біологічних властивостей отриманих поверхонь, а також виявлено оптимальні морфологічні параметри наноструктурування, при яких силіконові поверхні відрізняються високим рівнем біологічної сумісності з нервами. .

Аналіз експериментальних даних

• Виділення активності нейронів із сигналів багатоканальної реєстрації екстраклітинних потенціалів в умовах нестабільності позиціонування електродної матриці
• Дослідження просторового розподілу струмопровідних шляхів у біологічному об'єкті на прикладі інтерференційної стимуляції та поверхневої стимуляції
• Розробка методу обробки міографічних сигналів для оцінки та кількісного зіставлення комплексного патерну активності м'язів кінцівки при локомоторних рухах та підтримці пози
• Аналіз спайнолограм

Аналогова та цифрова схемотехніка, програмування мікроконтролерів

• Мініатюрнімікроспоживаючі схемотехнічні рішення модулів електростимуляції для пристроїв, що імплантуються.
• Мініатюрні мікроспоживаючі схемотехнічні рішення модулів реєстрації та радіопередачі сигналів біопотенціалів для пристроїв, що імплантуються.
• Механізована система просторової орієнтації бігової доріжки нейрофізіологічної установки (висота, кути крену та тангажу)
• Механізований предметний столик оптичного мікроскопа для системи деталізованого оцифрування зображень високої роздільної здатності
• Експериментальна установка для автоматизованих ресурсних випробувань еластичних електродних матриць, що імплантуються.
• Координатний екструдер гелеподібних струмопровідних компаундів для прототипування еластичних електродних матриць
• Енергоефективні інтерфейси та протоколи передачі даних для тельної мережі датчиків на прикладі реалізації інерційної кінематичної системи

• Програмний інтерфейс реалізації нейрофізіологічного експерименту, що забезпечує синхронний збір даних від безлічі різнотипних джерел

Фінансова підтримка:

- Грант РНФ №14-15-00788

- Грант РФФІ 17-29-01034-ОФІ_М (2017-2019)

- Грант РФФІ 17-04-01822-А (2017-2019)

- Grant of National Institutes of Health (NIH) R01 NS100928-01A1 (2017-2022)

- Grant of German Research Foundation (DFG) for International Collaboration (2018-2019)

Співпраця:

– Інститут фізіології ім. І.П.Павлова РАН

- НДІ фтизіопульмонології МОЗ РФ

- Відділ біотехнічних проблем, Санкт-Петербурзький Державний Університет Аерокосмічного приладобудування (ГУАП)

- ЦНДІ робототехніки та технічної кібернетики

- Swiss Federal Institute of TechnologyLausanne (EPFL)

- University of Zurich

- The Nobel Institute for Neurophysiology, Karolinska Institutet (Stockholm)

- український науковий центр радіології та хірургічних технологій (РНЦ РХТ)

- Санкт-Петербурзький політехнічний університет Петра Великого (СПбПУ)

- Dresden University of Technology (TU Dresden)

- Georgia Institute of Technology (Georgia Tech)

---