В настоящее время для 30 миллионов людей в мире, потерявших вестибулярную функцию, не существует эффективного лечения. Один из способов ее восстановления — замена вестибулярного органа вестибулярным имплантом. Это искусственная сенсорная система, отвечающая за передачу информации головному мозгу о положении тела в пространстве и его движении путем электрической стимуляции вестибулярных нервов. Как электрический ток помогает поднять на ноги – в новом выпуске специального проекта Tomsk.ru и Томского госуниверситета «Технотренды».
Почему мало кто лечит вестибулярные нарушения?
Вестибулярная система – очень чувствительная штука. Она может пострадать от банальных, на первый взгляд, вещей — инфекции или антибиотикотерапии. Проблемы с вестибулярным аппаратом часто сопутствуют диабету, сосудистым заболеваниям. Один из первых признаков – головокружения, особенно весной или осенью. Но! Чаще всего такие специфические заболевания трудно диагностируются и уж тем более не вылечиваются. Например, потому что техника, используемая для серьезной диагностики вестибулярного аппарата, даже за рубежом стоит космически дорого – сотни тысяч евро. Поэтому, как смеются медики, в России такими болезнями не болеют; мировая же статистика выявляемости — порядка 1% в молодом возрасте и 10% в пожилом. Есть специальные тренажеры для тренировки вестибулярного аппарата, их используют спортсмены или космонавты. Но некоторые заболевания (например, двусторонняя вестибулопатия) можно вылечить только протезированием – установкой вестибулярного импланта.
Владимир Демкин, доктор физ.-мат. наук, заведующий лабораторией моделирования физических процессов в биологии и медицине ТГУ:
У человека есть пять вестибулярных нервов, каждый отвечает за определенные движения головы. В мире существуют искусственные сенсоры, которые заменяют только полукружные каналы, которые отвечает за вращательные движения. Их установка стоит безумно дорого, и таких уникальных операций сделано всего чуть более десятка – не столько из-за цены, сколько из-за того, что пока технология их создания не совершенна. Но для полноценного восстановления вестибулярных функций необходим учет всех сенсоров движения, так как полукружные каналы и отолитовые сенсоры внутреннего уха функционируют как интегрированная система. Таких вестибулярных имплантов в мире пока нет, и наш коллектив работает именно над таким: мы разрабатываем систему многоканальной электростимуляции вестибулярных нервов.
Как связаны физика и вестибулярка?
Казалось бы: где вестибулярная система и где физики университета? Все просто: биологические процессы сопровождаются электрическими сигналами. Эти сигналы по нервным волокнам поступают в мозг, мозг их обрабатывает и посылает соответствующие электрические сигналы на мышцы. Изменение тонуса мышц глаза, конечностей, туловища, шеи реализуется в виде двигательной реакции конечностей, головы и туловища. Это называется электрофизиологией.
Если говорить об устройстве конкретно периферического вестибулярного аппарата, то он состоит из трех взаимно-перпендикулярных полукружных каналов и двух отолитовых органов: утрикулы и саккулы, кодирующих соответственно вращательные и линейные ускорения головы. В качестве рецепторов движения выступают волосковые клетки (такое название они получили из-за тонких волосков-стереоцилий, которые расположены на верхней поверхности клетки). Стереоцилии очень чувствительны к механическим воздействиям. Под действием гравитационных или инерционных сил стереоцилии отклоняются и открывают ионные каналы, обеспечивая поступление ионов из внеклеточной жидкости – эндолимфы внутрь клетки, изменяя таким образом рецепторный потенциал и генерируя электрический нейронный сигнал, передаваемый в центральную нервную систему. Величина ионного тока, протекающего через клетку, пропорциональна углу отклонения волосков. Чистая физика!
В случае потери сенсорной функции вестибулярного органа необходима его замена искусственным аналогом – вестибулярным имплантом. Для вестибулярного отдела головного мозга нет дела до источника сигнала – он просто воспринимает тот электрический сигнал, который доставляется по нервным волокнам. Поэтому в случае гибели волосковых клеток (и возникших по этой причине проблем с вестибулярной дисфункцией) вестибулярный нерв может непосредственно стимулироваться электрическим импульсом от импланта.
Владимир Демкин:
Проблема в том, что каждый из пяти вестибулярных нервов отвечает за свой тип движения. При определенном движении будет задействован соответствующий канал передачи информации, поэтому мозг различает, с какого именно рецептора пришел нейронный сигнал. Более того, при сложном поступательно-вращательном движении сигналы от полукружных каналов и отолитов интерферируют, и для того чтобы вестибулярный отдел головного мозга адекватно расшифровал это движение в случае искусственной электрической стимуляции, необходимы новые знания о механизмах электрической стимуляции вестибулярных нервов, о взаимодействии сенсорных сигналов и их интерференции.
Что предложили ученые ТГУ?
Ученые должны добиться таргетной активации вестибулярных нервов – чтобы электрический сигнал адекватно отражал вид движения тела человека. Определяющим фактором качества искусственной электрической стимуляции является расположение стимулирующих электродов и форма электрического импульса. Как было сказано выше, наибольшие успехи в этом достигнуты при создании вестибулярных протезов для стимуляции вестибулярных нервов полукружных каналов.
Но даже с ними не удалось добиться селективности электрических импульсов относительно вращений из-за присутствия токов утечки из-за проводимости тканей внутреннего уха. Из-за этого возникает шум в нейронном сигнале, поступающем в головной мозг, и искажения в вестибуло-окулярных рефлексах.
Что касается электрической стимуляции отолитовых органов (то есть отвечающих за перемещение), эта задача чрезвычайно сложная и никто в мире ее пока не решил. В проекте ТГУ предлагается оригинальный подход к решению этой задачи путем моделирования электрофизиологических процессов в волосковых клетках.
Размещение электрода во время операции по имплантации является сложной задачей, учитывая крошечные анатомические структуры внутреннего уха. Вестибулярные нервы стимулируются электродами – каждый размером 0,4 мм. А у скопления волосковых клеток отолитов размер – 2 квадратных миллиметра, причем они разбиты на три зоны. Попасть в нужную – хитрая микрохирургическая задача.
Владимир Демкин:
Наша идея в том, чтобы осуществлять электрическую стимуляцию с помощью оптимального расположения электродов на пяти элементах вестибулярного лабиринта: трех полукружных каналах и двух отолитовых органах. Такую модель мы назвали «Пентагон». На первом этапе исследования мы разработали детализированную электрическую модель, сейчас занимаемся оптимизацией пространственного расположения электродов, режимов стимулирующих импульсов, их амплитудно-частотных характеристик и фазовой синхронизации, чтобы они были близки к физиологическим условиям. Подобные исследования проводятся лишь в ограниченном числе мировых центров. В отличие от предлагаемых решений, наша концепция вестибулярного импланта основана на многоканальной стимуляции вестибулярных нервов, что обеспечивает максимальное восстановление вестибулярной функции.
Михаил Светлик, завкафедрой физиологии ТГУ:
Одной из важных задач второго этапа нашего проекта является разработка методики для дифференцированной диагностики вестибулярных нарушений, которую мы ведем совместно с партнерами из СибГМУ. В России этот этап хромает: в стране нет техники, которая может не просто выявлять проблемы, но и «указывать» их источник (полукружные или отолитовые каналы). И мы ее как раз разрабатываем. В прошлом году в СибГМУ продиагностировали порядка 60 больных, обращающихся с жалобами на головокружение, из них выбрали 28 человек с нарушением вестибулярного аппарата. На этих пациентах мы отрабатываем методику диагностирования периферической вестибулярной системы.
Диагностика проводится на разработанном томичами кресле – аналоге кресла Барани. Оно может вращаться и по центральной оси (где работают полукружные каналы), и по смещенной оси (тогда включаются отолиты). Сигналы регистрируются с помощью электроэнцефалографа.
Отработав методику дифференцированной диагностики, ученые смогут правильно (то есть в нужные места лабиринта) разместить электроды пятиэлементной системы стимуляции. До конца года методика должна быть готова, и ученые приступят к созданию опытного образца «Пентагона».
