Разработка специалистов НИТЦ Нейротехнологий ЮФУ может выявлять
социально-значимые заболевания и потенциально опасные вещества в
воздухе на основе анализа биоэлектрических потенциалов обонятельной
системы.
Организм человека и всех живых существ имеет много важных и в то же
время очень интересных систем, которые отвечают за разные процессы. И в
этом смысле обоняние не исключение. Помимо того, что мы можем ощущать
приятные или же наоборот опасные отдушки токсичных веществ, угарного
газа и дыма, обонятельная система образована так, что способна
самостоятельно очищать воздух от пыли, увлажнять его и нагревать. Еще
интереснее связь обоняния с мозгом: при вдохе через нос воздух вместе с
молекулами пахучего вещества (одорантом) проходит целый путь, прежде
чем попасть в обонятельную область, имеющую вид щели, покрытой
обонятельным эпителием. Именно там одоранты взаимодействуют со
специальными рецепторами от которых информация передается к
митральным/тафтовым (М/Т) нейронам обонятельной луковицы, которые
выделяют, кодируют и передают первичную информацию об интенсивности,
качестве и продолжительности запаха в вышележащий отделы обонятельной
системы головного мозга. Так, например, пока человек держит в руке
апельсин, запах фрукта (одорант) попадает в его обонятельную область и по
характеру и выраженности реакции нейронов наш мозг распознает знакомый
запах, после чего дает нам об этом определенный сигнал.
Интересно, что в естественных условиях сна реакция обонятельной системы
снижается и даже сильный запах не способен разбудить человека. При этом в
условиях наркоза запахи воспринимают лучше, чем во время бодрствования.
По словам ученых ЮФУ, это объясняется тем, что характер и выраженность
реакций М/Т нейронов зависит от различных факторов, прежде всего
природы и концентрации одоранта, наркоза и функционального состояния
обонятельной луковицы. Однако до сегодняшнего дня влияние динамики
наркоза на интенсивность ответов не было комплексно изучено, поэтому
специалисты НИТЦ «Нейротехнологий» ЮФУ провели эксперименты, в
которых исследовали, как ведет себя обонятельная система крысы во время
анестезии. По итогам работы было показано, что в динамике ксилазин-
тилетамин-золазепамовой анестезии средняя частота фоновой и импульсной
активности М/Т клеток повышается, тогда как модальное значение
высокочастотной активности ОЛ, диагностируемой с помощью
микроэлектродов, напротив, снижается, что связывается с динамикой
функционального состояния ОЛ и систем обработки ольфакторной
информации в наркозе.
Результаты исследования коллектива Научно-исследовательского
технологического Центра нейротехнологий ЮФУ, проведенного в рамках
реализации проекта «Интеллектуальные технологии управления и обработки
информации в перспективных роботизированных комплексах и гибридных
системах» программы «Приоритет 2030» (нацпроект «Наука и
университеты»), опубликованы в журнале «IBRO Neuroscience Reportsthis
link is disabled» .
«Наши исследования проводятся с помощью экспериментального
ольфакторного стенда, созданного в НИТЦ нейротехнологий. Животному в
течение пяти секунд подаётся интересующий запах, одновременно с этим, с
помощью микроэлектродов имплантированных в обонятельную луковицу
крысы, регистрируется активность нейронов. Каждый из
зарегистрированных нейронов может быть уникальным для интересующего
вещества и на этом свойстве можно создать биосенсорную систему,
детектирующую целевые вещества. Однако, животные в таких системах,
часто находятся в анестезированном состоянии, что модулирует как
функциональное состояние организма в целом, так и нейронов в частности.
Именно для этого мы и изучили динамику ответной реакции нейронов
обонятельной луковицы крыс в наркозе. Это приблизит нас к созданию
устойчивых, высокочувствительных биогибридных систем», – рассказал
кандидат биологических наук, главный научный сотрудник Научно-
исследовательского технологического Центра нейротехнологий ЮФУ Петр
Косенко.
В практической части специалисты разработали биогибридные обонятельные
системы — то есть биогибридные технологии на основе микроэлектродов,
способные считывать суммарную активность десятков нейронов. Благодаря
пониманию активности обонятельной луковицы крыс и обработке
информации с помощью искусственной нейросети на базе сервера Южного
федерального университета ученые смогли выявлять и распознавать
паттерны, характерные для онкозаболеваний, сахарного диабета и
туберкулеза.
Результаты исследования уже были подтверждены на практике – апробация
технологии биогибридного скрининга социально-значимых заболеваний
проводилась в Новгородской области в декабре 2020 года. Так, в
эксперименте был индивидуально обследован 1761 доброволец. В ходе
дополнительного обследования с использованием классических методов
диагностики ранние (I-II) стадии онкозаболеваний подтверждены более чем у
70 процентов пациентов, отнесенных к группе риска по результатам
скрининга.
Биогибридная сенсорная технология скрининга социально значимых
заболеваний разработана в рамках совместного проекта Фонда
перспективных исследований, Южного федерального университета и
Национального медицинского исследовательского центра онкологии (Ростов-
на-Дону).
Однако на этом проект НИТЦ Нейротехнологий не заканчивается:
специалисты планируют разработать управляемые биогибридные системы,
которые будут работать на постоянной основе в режиме реального времени.
«Идеальным результатом для нас с практической точки зрения, было бы
создание управляемых, высокочувствительных, помехоустойчивых и
функционирующих 24/7 биогибридных устройств, способных детектировать
интересующие заказчика пары веществ в воздухе или почве», — отметил
Петр Косенко.
Одной из вариаций внедрения таких систем могут быть кинологические
службы. Система будет работать в режиме круглосуточного отслеживания, а
нейронная сеть будет обрабатывать информацию и давать сигнал о
потенциально-опасных веществах, например, взрывчатых или
наркотических.
По словам разработчиков, в России аналогов подобной системы на данный
момент не существует. Биогибридные обонятельные системы универсальны
и могут распознавать любой запах, лишь бы пахучее вещество проникало в
обонятельную луковицу носителя. Кроме того, их можно обучить под
потребности каждого заказчика, исходя из того, какие вещества нужно
распознать. Таким образом, они могут применяться в медицине, в сфере
обеспечения безопасности государства, а также в экологии.
Нет комментариев