Устройство термогенетического управления возбудимыми тканями живых организмов

Изобретение относится к биотехнологии, в частности к экспериментальным устройствам, и может использоваться для отлаживания схем термогенетического управления возбудимыми тканями живых организмов. Предлагается устройство термогенетического управления возбудимыми тканями живых организмов, содержащее источник сигнала оптической стимуляции в виде диодного ИК-лазера с управляемым блоком питания, зонды для получения сигналов отклика, связанный с ними усилитель, блок сведения сигналов и связанный с ним контроллер для обработки входных сигналов и управления стимуляцией. Техническим результатом является возможность синхронизации коротких импульсов нагрева возбудимой ткани и электрического потенциала, возникающего в этой ткани в ответ на импульсы нагрева. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к экспериментальным устройствам в биотехнологии и может использоваться для отлаживания схем термогенетического управления возбудимыми тканями живых организмов и может быть использовано в экспериментах, где применяется быстрый импульсный нагрев, который должен быть синхронизирован или скоррелирован с сигналами электрического отклика. Также данное устройство в различных вариантах исполнения может служить бесконтактным стимулятором поперечно-полосатой скелетной или сердечной мышцы человека.

При использовании термогенетических технологий в клетках ткани экспрессируется термочувствительные кальциевые каналы, открывающиеся при незначительном (до 39-43°С) повышении температуры, и в количестве, достаточном для деполяризации мембран клеток при открытии. При адаптации данной технологии к возбудимым тканям часто возникает задача коррелировать нагрев и биопотенциалы: например, если необходим импульсный нагрев и параллельное считывание электрического отклика ткани, или если необходим нагрев в ответ на возникновение потенциала определенной интенсивности или частоты в ткани.

Из уровня техники известны следующие аналоги для осуществления термогенетических технологий в клетках возбудимых тканей.

Известен прибор и метод для стимуляции нейрональной ткани при помощи оптических стимулов /патент № US 8721695 B2/. Прибор представляет собой устройство со множественными модулями стимуляции, приложенных в том месте, где оптический стимул изменяет фазу нейрональной активности будучи приложенным к аномально синхронизированным нейронам. Недостатком прибора является отсутствие быстрого сопряжения приводящих сигналов оптического излучателя и индуцированных сигналов возбудимой ткани. Также в данном методе не предусмотрен контроль температуры, необходимый в термогенетических схемах.

Известен прибор и метод для стимуляции импульсным инфрракрасным светом нейронов центральной нервной системы /патент № US 9044596 B2/. Прибор представляет собой установку, состоящую из лазера, контроллера лазера, высокоскоростной камеры, контроллера обработки изображений. При стимуляции мозга грызунов обратная связь в некоторых вариантах установки осуществлялась с помощью пьезоэлектрического контролера подвижности усиков. Недостатком данного прибора является отсутствие температурной и электрической обратной связи при оптической стимуляции.

Известен прибор и метод для стимуляции нервного волокна совмещенным электрическим и оптическим сигналами /патент № US 8160696 B2/. Прибор и метод предназначены для стимуляции нервной ткани (например индукцией потенциала действия (ПД) в нерве пациента) одновременно оптическим и электрическим стимулами. При этом предполагается, что нервная ткань заранее подготовлена таким образом, чтобы воздействие света вызывало в ней деполяризацию и формирование ПД. Варианты реализации могут включать множество электродов и/или оптических излучателей. Недостатком прибора является отсутствие быстрого сопряжения управляющих сигналов оптического излучателя и сигналов электрического отклика возбудимой ткани. Также в данном методе не предусмотрен контроль температуры, необходимый в термогенетических схемах. Указанное техническое решение является прототипом (наиболее близким аналогом).

Таким образом, техническая проблема заключается в отсутствии возможности эффективной синхронизации коротких импульсов нагрева возбудимой ткани и электрического отклика, возникающего в этой ткани в ответ на импульсы нагрева.

При решении заявленной технической проблемы достигается следующий технический результат(ы): возможность синхронизации коротких импульсов нагрева возбудимой ткани и электрического отклика, возникающего в этой ткани в ответ на импульсы нагрева.

Для решения заявленной технической проблемы и достижения заявленного технического результата предлагается устройство термогенетического управления возбудимыми тканями живых организмов, содержащее источник сигнала оптической стимуляции в виде диодного ИК-лазера с управляемым блоком питания, зонды для получения сигналов отклика, связанный с ними усилитель, блок сведения сигналов, и связанный с ним контроллер для обработки входных сигналов и управления стимуляцией.

Отличительной особенностью устройства является то, что зонды для получения сигналов отклика представляют собой по крайней мере один электрод и термопару для анализа теплового отклика, устройство имеет блок сведения сигналов, который связан одновременно с источником сигнала оптической стимуляции и зондами для получения сигналов электрического и теплового отклика и настроен с возможностью анализа фазового сдвига между сигналом оптической стимуляции, и сигналом электрического (и в отдельных вариантах теплового) откликов и изменения характеристик оптической стимуляции в зависимости от этого сдвига.

В одном варианте диодный ИК-лазер может быть снабжен блоком независимого охлаждения.

В одном варианте диодный ИК-лазера может быть оснащен источником светового сигнала видимой индикации.

В одном варианте устройство может быть оснащено блоком оптического смешения, который связан с источником сигнала видимой индикации.

В другом варианте контроллер, генератор управляющего сигнала оптической стимуляции, блок сведения импульсов, усилитель сигнала электрического отклика и блок питания ИК-лазера расположены на одной печатной плате или чипе.

Заявлен способ оптической стимуляции, осуществляемый устройством термогенетического управления возбудимыми тканями живых организмов, включающий генерирование сигнала оптической стимуляции и подачу сигнала оптической стимуляции через оптическое волокно; использование светового сигнала видимой индикации, который указывает место, в котором должен быть применен сигнал оптической стимуляции, использование зондов для получения сигналов отклика.

Заявленный способ отличается тем, что для получения теплового отклика используют термопары, устройство подает управляющий электрический сигнал на вход блока сведения сигналов, выполняет обработку сигналов электрического и теплового откликов, а также осуществляет анализ фазового сдвига между сигналом оптической стимуляции и сигналами электрических (и в отдельных случаях тепловых) откликов и изменяет характеристики оптической стимуляции в зависимости от этого сдвига.

Для вычисления фазового сдвига используют управляющий электрический управляющий сигнал оптической стимуляции.

Для вычисления фазового сдвига используют сигналы тепловых и электрических откликов.

Для анализа теплового отклика используют комбинацию термопар, расположенных на разном расстоянии от места оптической стимуляции.

Для анализа пространственной динамики электрического отклика используют комбинацию электродов.

Описание установки в статике Заявленное устройство поясняется фигурами 1 и 2, на которых представлена общая схема заявленного устройства в двух вариантах. Ни фигуре 3 представлен способ организации обратной связи между оптическим стимулом и электрическим и тепловым откликами.

Устройство термогенетического управления возбудимыми тканями живых организмов содержит источник сигнала оптической стимуляции в виде диодного ИК-лазера (1) с управляемым блоком питания (2), зонды для получения сигналов отклика (3-4), связанные с ними усилители (5-6), блок сведения сигналов (7) и контроллер (8), связанный с генератором управляющего сигнала оптической стимуляции (9), который в свою очередь подает сигналы на блок питания лазера (2).

Зонды для получения сигналов отклика представляют собой по крайней мере один электрод (3) для анализа электрического отклика и термопару (4) для анализа теплового отклика. Блок сведения сигналов (7) связан одновременно с источником сигнала оптической стимуляции в виде диодного ИК-лазера (1) и усилителями сигналов электрического и теплового отклика и настроен с возможностью анализа фазового сдвига между сигналом оптической стимуляции и сигналом электрического и/или теплового откликов и с возможностью изменения характеристик оптической стимуляции в зависимости от этого сдвига.

В одном варианте диодный ИК-лазер снабжен блоком независимого охлаждения (10), источником светового сигнала видимой индикации (11), блоком оптического смешения (12), который связан с источником сигнала видимой индикации (11).

В другом варианте, изображенном на фигуре 2, система не имеет контроля теплового отклика в виде элементов (4,6), а контроллер (1), генератор управляющего сигнала оптической стимуляции (9), блок сведения импульсов (7), усилитель сигнала электрического отклика (5) и блок питания ИК-лазера (2) расположены на одной плате или чипе. Лазер (1) в этом варианте не нуждается в независимом охлаждении (10).

При подборе компонентов для заявленного устройства следует ориентироваться на стандартные временные характеристики импульсов возбудимой ткани млекопитающих, у которых продолжительность импульса деполяризации может быть в ширину меньше миллисекунды, а расстояние частота импульсов в пачке может достигать ста герц. Это означает, что и генератор управляющего сигнала (9), и лазер (1) со своим блоком питания (2), и усилитель (5-6), и блок сведения сигналов (7) должны работать на частоте десятков килогерц (иметь времена отклика не превышающими десятков микросекунд). Требуемые характеристики позволяют выполнить данные компоненты в компактном и малопотребляющем исполнении для облегченной версии устройства (Фиг. 2).

В качестве зондов для измерения электрического отклика используются минимум три электрода, а именно два электрода, подающиеся на дифференциальные входы усилителя (5) и электрод связанный с сигнальной землей усилителя (5); электроды могут размещаться инвазивным либо неинвазивным способом. Для инвазивного способа могут использоваться игольчатые электроды различных размеров, изготовленные из нержавеющей стали, которые вводятся непосредственно в ткань. Для неинвазивного способа могут использоваться одноразовые хлорсеребряные электроды с клейкой пенополиуретановой основой, покрытые токопроводящим гелем, которые прикрепляются к коже, с которой предварительно удаляется волосяной покров. Для постоянной стимуляции возможно использование электродов для хронической имплантации, выполненных из платины или иридия с полимерной изоляцией.

Для устройства предполагается использование имеющиеся на сегодняшнем уровне технике микроскопические термопары с минимальным временем отклика (достигающим единицы - десятков миллисекунд). Таким образом, использование сигнала термопары в протоколах обратной связи ограничено режимами стимуляции с частотой максимум в 10-20 Гц.

Описание установки в динамике: Сначала возбудимая ткань (13) подготваливается для восприятия теплового стимула, а именно, чтобы приходящие тепловые стимулы вызывали частичную или полную деполяризацию. Это достигается посредством экспрессии в целевой ткани термочувствительных ионных каналов. Такие каналы обеспечивают деполяризацию, при открытии пропуская внутрь клетки ионы кальция и, в меньшем количестве, ионы натрия. Открытие каналов происходит при небольшом нагреве - до 39-43°С. Доставка в ткань генетических конструкций, кодирующих данные каналы, осуществляется при помощи плазмидных или вирусных векторов.

Далее пучок ИК-света подводится для воздействия на нужное место (14), в котором должен быть применен сигнал оптической стимуляции. В одном варианте поиск места (14) производится при помощи сигнала видимой индикации. Для этого источник сигнала видимой индикации (11) включается, а блок оптического смешения (12) конфигурируется для смешения ИК- и видимого света.

Далее производится воздействие на возбудимую ткань оптическим стимулом. Сигналы управления оптическим стимулом на основе программы в контроллере (8) формируются в блоке генератора управляющего сигнала (9) и поступают на вход блока питания диодного ИК-лазера (2). Импульс от диодного ИК-лазера (1), по световоду подводится к возбудимой ткани (13).

В ткань заведены два типа зондов для получения сигналов отклика: электроды (3) и термопары (4). Сигнал электрического отклика воспринимается электродами, и усиливается усилителем электрического сигнала (5); сигнал термопары также усиливается усилителем термопары (6). Усиленные сигналы попадают на блок сведения импульсов (7) вместе с сигналом оптической стимуляции от лазера (1) или (в одном варианте) вместе с управляющим сигналом от генератора (9). От блока сведения импульсов сигналы попадают на контроллер (8), который вычисляет фазовый сдвиг между сигналом стимуляции и откликом (или, в одном варианте, между тепловым и электрическим откликами). В зависимости от фазового сдвига, контроллер изменяет параметры генерации управляющего сигнала в блоке (9).

Обратная связь реализуется при помощи стимуляции через интервал времени от последнего отклика (далее по Фиг. За). Рассмотрим случай, когда необходимо обеспечить стимуляторную поддержку возбудимой ткани - инициировать в ней возникновение нескольких потенциалов действия (ПД) с определенным интервалом Т в ответ на хотя бы один возникающий в ткани первоначальный электрический отклик.

В одном варианте в возбудимой ткани производится вычисление времени сдвига фаз w2 между импульсом оптического стимула (кривая 1) и импульсом электрического отклика (кривая 3). Далее контроллер настраивается таким образом, чтобы тот выдавал стимул через интервал w3 (=Т-w2) от последнего электрического отклика возбуждения ткани (Фиг. 3b), что обеспечивает необходимую стимуляторную поддержку.

В другом варианте в возбудимой ткани производится дополнительно измерение времени двига фаз w1 между импульсом оптического стимула (кривая 1) и импульсом теплового отклика (кривая 2). Далее контроллер настраивается таким образом, чтобы тот выдавал стимул в момент времени t=(Tt+[Т-w1])/2+(Те+[T-w2])/2, где Tt - момента последнего теплового отклика, Те - момент последнего электрического отклика. Таким образом, в данном варианте также достигается требуемая стимуляторная поддержка, однако дополнительно учитываются возможные флуктуации обоих сдвигов фаз w1 и w2 в условиях эксперимента.

1. Устройство стимуляции возбудимых тканей живых организмов, обладающее возможностью синхронизации коротких импульсов нагрева возбудимой ткани и электрического отклика, возникающей в этой ткани в ответ на импульс нагрева, содержащее источник сигнала оптической стимуляции в виде диодного ИК-лазера, зонды для получения сигналов отклика, связанные с ними усилители, блок сведения сигналов и связанный с ним контроллер, отличающееся тем, что зонды для получения сигналов отклика представляют собой по крайней мере один электрод для анализа электрического отклика и термопару для анализа теплового отклика, имеет отдельный блок сведения сигналов, который связан одновременно с источником сигнала оптической стимуляции и зондами для получения сигнала электрического и теплового отклика и настроен с возможностью анализа фазового сдвига между сигналом оптической стимуляциии и сигналом электрического (и в отдельных вариантах теплового) отклика и изменения характеристик оптической стимуляции в зависимости от этого сдвига.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что диодный ИК-лазер снабжен блоком независимого охлаждения.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что диодный ИК-лазер оснащен источником светового сигнала видимой индикации.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оснащено блоком оптического смешения, который связан с источником сигнала видимой индикации.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что контроллер, генератор управляющего сигнала оптической стимуляции, блок сведения импульсов, усилитель сигнала электрического отклика и блок питания ИК-лазера расположены на одной печатной плате или чипе.

6. Способ оптической стимуляции, осуществляемый устройством по п.1, включающий

генерирование сигнала оптической стимуляции и подачу сигнала оптической стимуляции через оптическое волокно;

использование светового сигнала видимой индикации, который указывает место, в котором должен быть применен сигнал оптической стимуляции,

использование зондов для получения сигнала электрического отклика,

отличающийся тем, что для получения теплового отклика используют термопары, устройство подает управляющий электрический сигнал на вход блока сведения сигналов, выполняет обработку сигналов электрического и теплового откликов, а также осуществляет анализ фазового сдвига между сигналом оптической стимуляции и сигналами электрических (и в отдельных вариантах тепловых) откликов и изменяет характеристики оптической стимуляции в зависимости от него.

7. Способ по п.6, отличающийся тем, что для вычисления фазового сдвига используют управляющий электрический сигнал оптической стимуляции.

8. Способ по п.6, отличающийся тем, что для вычисления фазового сдвига используют сигнал теплового и электрического откликов.

9. Способ по п.6, отличающийся тем, что для анализа теплового отклика используют комбинацию термопар, расположенных на разном расстоянии от пятна оптической стимуляции.

10. Способ по п.6, отличающийся тем, что используют комбинацию электродов для анализа пространственной динамики электрического отклика.