Лаборатория нейропротезов

Руководитель: Павел Мусиенко

 

Научные интересы:

В последние десятилетия достигнут существенный прогресс в изучении структуры и функции нейронных сетей спинного и головного мозга. Разработаны современные биоинженерные технологии для искусственного управления функциями ЦНС при патологии. Проведенные в прошлом исследования (Gerasimenko et al. 2008; Courtine et al. 2009; Musienko et al. 2009, 2011, 2012) ставят конкретные задачи по оптимизации алгоритмов нейропротезирования, созданию моделей нейромоторных заболеваний для in-vivo апробации, выяснению механизмов и эффектов воздействия на нервную систему, а также трансляции готовых лечебных методов в клиническую практику. Этим задачам посвящена работа в Лаборатории нейропротезов.

 

 

Основные направления:

·Исследование структурно-функциональной организации нейронных сетей спинного мозга, ответственных за сенсомоторную и соматовисцеральную интеграцию

·Создание экспериментальных моделей поражений спинного мозга (пороки развития, артрогрипоз, нейродегенеративные заболевания)

·Применение имплантируемых электрохимических нейропротезов при плегиях различной этиологиии

·Разработка новых неинвазивных подходов искусственного управления спинальных нейронных сетей

 

 

Сотрудники лаборатории:

• к.б.н. Наталья Меркульева, постдок

• Олег Горский, научный сотрудник

• Елена Владимирова, инженер

 

Проводится конкурс (!) на вакантные ставки:

- Постдока (1ставка)

- Научных/старших научных сотрудников (2 ставки)

 

Приглашаются студенты 4-5 курсов для подготовки бакалаврских/магистерских дипломных работ по приведенным ниже тематикам

Желающим войти в команду Лаборатории нейропротезов

присылать свое резюме на pol-spb@mail.ru

 

Актуальные направления работ

 

Исследование структурно-функциональной организации нейронных сетей спинного мозга, контролирующих локомоторную активность

  • Проект посвящен изучению структурно-функциональной организации нейронных сетей спинного мозга, запускающих и контролирующих локомоторные программы. Что позволяет нам точно перемещаться в пространстве? Как осуществляется тонкая интеграция между сенсорной информацией от локомоторного аппарата и паттернами мышечной активности (сенсомоторная интеграция)? Как осуществляется связь между программами управления движением и сигналами от внутренних органов (висцеромоторная интеграция)? Ответить на эти вопросы поможет комплексный подход, сочетающий нейроморфологические и нейрофизиологические методы. Анализ паттернов распределения в сером веществе спинного мозга сенсорных нейронов, интернейронов и мотонейронов, а также их дальнейшая суперпозиция в 2-мерных и 3-мерных моделях, позволяют выяснить структурную организацию спинальных интегративных сетей. А нейрофизиологические методы мультиклеточной регистрации нейрональной активности при локомоции – ответить на вопрос об их работе во время разных актов локомоции.

 

 

Разработка и получение биосовместимых электропроводящих композитов медицинского назначения на основе углеродных наноматериалов

  • Проект посвящен разработке электропроводящих и биосовместимых композитов, предназначенных для создания электродов нейрональных имплантов. В качестве основы для получения композитов будут использованы углеродные материалы, силикон и проводящие полимеры. В ходе реализации проекта должна быть отработана методика получения композитов различного состава, проведены испытания их механических, электрических и биологических свойств, а также найдены оптимальные рецептуры для изготовления биосовместимых электропроводящих композитов медицинского назначения.

 

Разработка и получение наноструктурированных силиконовых поверхностей для создания биосовместимой матрицы нейрональных имплантов

  • Проект посвящен получению биосовместимых наноструктурированных поверхностей из силикона и его композитов, предназначенных для создания матрицы нейрональных имплантов. В ходе реализации проекта должны быть отработаны методики получения наноструктурированных поверхностей методами рентгеновской, ионно-лучевой и электронной литографии, проведены испытания механических и биологических свойств полученных поверхностей, а также выявлены оптимальные морфологические параметры наноструктурирования, при которых силиконовые поверхности отличаются высоким уровнем биологической совместимости с нервными тканями.

Анализ экспериментальных данных

  • Выделение активности нейронов из сигналов многоканальной регистрации экстраклеточных потенциалов в условиях нестабильности позиционирования электродной матрицы  
  • Исследование пространственного распределения токопроводящих путей в биологическом объекте на примере интерференционной стимуляции и поверхностной стимуляции
  • Разработка метода обработки миографических сигналов для оценки и количественного сопоставления комплексного паттерна активности мышц конечности при локомоторных движениях и поддержании позы
  • Анализ спайнолограмм

Аналоговая и цифровая схемотехника, программирование микроконтроллеров

  • Миниатюрные микропотребляющие схемотехнические решения модулей электростимуляции для имплантируемых устройств
  • Миниатюрные микропотребляющие схемотехнические решения модулей регистрации и радиопередачи сигналов биопотенциалов для имплантируемых устройств
  • Механизированная система пространственной ориентации беговой дорожки нейрофизиологической установки (высота, углы крена и тангажа)
  • Механизированный предметный столик оптического микроскопа для системы детализированной оцифровки изображений высокого разрешения
  • Экспериментальная установка для автоматизированных ресурсных испытаний имплантируемых эластичных электродных матриц
  • Координатный экструдер гелеобразных токопроводящих компаундов для прототипирования эластичных электродных матриц
  • Энергоэффективные интерфейсы и протоколы передачи данных для нательной сети датчиков на примере реализации инерциальной кинематической системы

Программирование C++

  • Программный интерфейс реализации нейрофизиологического эксперимента, обеспечивающий синхронный сбор данных от множества разнотипных источников

 

 

Финансовая поддержка:

- Грант РНФ №14-15-00788

- Грант СПбГУ (приказ №2436/1 от 09.04.2015 года)

- Грант Президента РФ МД-1018.2017.7 (2017-2018)

- Грант РФФИ 17-29-01034-ОФИ_М (2017-2019)

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

 

 Сотрудничество:

- Институт физиологии им. И.П.Павлова РАН

- НИИ фтизиопульмонологии МЗ РФ

- Отдел биотехнических проблем, Санкт-Петербургский Государственный Университет Аэрокосмического приборостроения (ГУАП)

- ЦНИИ робототехники и технической кибернетики

- Swiss Federal Institute of Technology Lausanne (EPFL)

- University of Zurich

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

- Российский научный центр радиологии и хирургических технологий (РНЦ РХТ)

- Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого (СПбПУ)

  

Публикации лаборатории:

Cтатьи:

2015 г:

Friedli L, Rosenzweig ES, Barraud Q, Schubert M, Dominici N, Awai L, Nielson JL, Musienko P, Nout-Lomas Y, Zhong H, Zdunowski S, Roy RR, Strand SC, van den Brand R, Havton LA, Beattie MS, Bresnahan JC, Bézard E, Bloch J, Edgerton VR, Ferguson AR, Curt A, Tuszynski MH, Courtine G. Pronounced species divergence in corticospinal tract reorganization and functional recovery after lateralized spinal cord injury favors primates // Science Translational Medicine  2015; 7(302): 302ra134.
IF 2014/2015 = 15.843
 
2016 г:
 
Wenger N., Moraud E.M., Gandar J., Musienko P. et al. Spatiotemporal neuromodulation therapies engaging muscle synergies improve motor control after spinal cord injury //  Nature Medicine. – 2016 – 22 (2), 138-145. 
IF 2014/2015 = 30.357
 
Merkulyeva N., Veshchitskii  A., Makarov F., Gerasimenko Y, Musienko Р. Distribution of 28 kDa calbindin-immunopositive neurons in the cat spinal cord // Frontier in Neuroanatomy. - 2016. 28(9):166. 
IF 2014/2015 = 3.54
 
Merkulyeva N.S., Bugrova V.S., Bondar I.V. Cat’s visual area 18 intermodular interactions development under different visual environment. // Ross. Physiol. J. Sechenova. 2016. V. 102(10). P. 1156-1164.
Scopus, IF= 0.652
 
Mirzoev TM, Tyganov SA, Lomonosova YN, Musienko PE, Shenkman BS. Signaling pathways regulating protein synthesis in rat soleus muscle during early stages of hindlimb unloading. // Ross Fiziol Zh Im I M Sechenova. 2015 Nov;101(11):1299-308.
Scopus, IF 2014/2015 = 0.655
 
Lyakhovetskii V. A., Merkulyeva N. S., Veshchitskii A. A., Gerasimenko Y. P., and Musienko P. E. A mathematical model of hind-limb control in cats when walking backward. // Biophysics, 2016, Vol. 61, No. 5, pp. 797–804. 
Scopus, IF 2014/2015 = 0.662
 
Merkulyeva N.S., Veshchitskiy A.A., Shkorbatova P.Yu., Shenkman B.S., Musienko P.E., Makarov F.N. Morphometric properties of dorsal Clarke’s nuclei in rostral segments of lumbar portion of spinal cord in cat. // Morfologia. 2016. Vol. 149. No. 5., pp. 797–804.
Scopus, IF 2014/2015 = 0.578
 
 
 
Публикации в материалах конференций и сборниках научных трудов:
 
2015г:
 
Мусиенко П.Е. Нейрофармакологические механизмы контроля спинальных функций // Материалы II Российско-Финского Симпозиума «Современные тенденции в разработке лекарственных препаратов». Санкт-Петербург, Россия, 20 октября 2015.
 
Мусиенко П.Е. Экспериментальные модели реабилитации спинальных больных // Материалы IV Конгресса Национальной Ассоциации Фтизиатров. Симпозиум «Фундаментальные исследования в проблеме внелегочного туберкулеза». 19-21 ноября 2015.
 
А.В. Бахшиев, Е.Ю. Смирнова, П.Е. Мусиенко. Методические основы проектирования систем поддержания динамической устойчивости человека для реабилитации людей с ограниченной подвижностью // Материалы 8-й всероссийской мультиконференции по проблемам управления, 3 октября 2015г.
 
Вещицкий А.А., Меркульева Н.С., Мусиенко П.Е.  Распределение кальбиндин-иммунопозитивных нейронов в спинном мозге кошки // Материалы международной научной конференции Научного парка СПбГУ «Трансляционная биомедицина: современные методы междисциплинарных исследований в аспекте внедрения в практическую медицину» Санкт-Петербург, Россия, 10-12 Ноября 2015.
 
Шкорбатова П.Ю., Ляховецкий В.А., Баженова Е.Ю., Павлова Н.В., Мусиенко П.Е.  Скелетотопия и размеры сегментов пояснично-крестцового отдела спинного мозга кошки // Материалы международной научной конференции Научного парка СПбГУ «Трансляционная биомедицина: современные методы междисциплинарных исследований в аспекте внедрения в практическую медицину» Санкт-Петербург, Россия, 10-12 Ноября 2015.
 
Павлова Н.В., Баженова Е.Ю., Шкорбатова П.Ю., Мусиенко П.Е., Коржевский Д.Э. Распределение нейрон-специфичного белка NeuN в сером веществе спинного мозга кошки // Материалы международной научной конференции Научного парка СПбГУ «Трансляционная биомедицина: современные методы междисциплинарных исследований в аспекте внедрения в практическую медицину» Санкт-Петербург, Россия, 10-12 Ноября 2015.
 
Горский О.В., Мусиенко П.Е.  Решение проблемы нагрева модуля беспроводной передачи энергии для имплантируемых телеметрических устройств и нейропротезов // Материалы международной научной конференции Научного парка СПбГУ «Трансляционная биомедицина: современные методы междисциплинарных исследований в аспекте внедрения в практическую медицину» Санкт-Петербург, Россия, 10-12 Ноября 2015.
 
Zelenin P.V., Musienko P.E., Gorskii J.V., Lyalka V.F., Gerasimenko Y.P., Orlovsky G.N., Dliagina T.G.. Activity of individual spinal neurons during locomotion initiated from brainstem and from spinal cord // Proceeding of Society for Neuroscience Congress - Chicago, 2015. P. 37
 
2016 г:
 
Меркульева Н.С., Вещицкий А.А., Герасименко Ю.П., Мусиенко П.Е.. Локализация нейронов спинного мозга кошки, активирующихся при вызванной локомоции. Материалы XII международного междисциплинарного конгресса «Нейронаука для медицины и психологии». Судак, Крым, Украина, 2-11 июня 2016 г. С. 276.

Вещицкий А.А., Меркульева Н.С., Мусиенко П.Е. Кластерная организация кальбиндин-иммунопозитивных нейронов дорсальных рогов спинного мозга кошки. Материалы XII международного междисциплинарного конгресса «Нейронаука для медицины и психологии». Судак, Крым, Украина, 2-11 июня 2016 г. С. 111.

Меркульева Н.С., Вещицкий А.А., Мусиенко П.Е. Иммуногистохимическое исследование локализации кальбиндиновых интернейронов в люмбосакральном отделе спинного мозга кошки. Материалы конференции с международным участием «Современные проблемы нейробиологии», 12-14 мая 2016 г, Ярославль. С. 31-32.

Павлова Н.В., Баженова Е.Ю., Меркульева Н.С., Вещицкий А.А., Шкорбатова П.Ю, Мусиенко П.Е. Цитохимические особенности нейронов ядра Кларка спинного мозга кошки. Материалы конференции с международным участием «Современные проблемы нейробиологии», 12-14 мая 2016 г, Ярославль. С. 38-39.

Меркульева Н.С., Вещицкий А.А., Герасименко Ю.П., Мусиенко П.Е. Распределение с-fos-иммунопозитивных нейронов в спинном мозге децеребрированных кошек при вызванной локомоции. Материалы VI Всероссийской с международным участием конференции по управлению движениями «Motor Control-2016». 14-16 апреля 2016 г. Казань. С. 61.

Musienko P., Merkulieva N., Gerasimenko Y. Spinal mechanisms of the direction control during locomotor activity. ХI Международный Симпозиум «Биологическая подвижность». Пущино, 12-14 мая 2016 г. С. 166.

Мусиенко П.Е., Павлова Н.В., Куртин Г. Пространственно-временная модуляция нейронных сетей для восстановления функций спинного мозга. VI Всероссийской с международным участием конференции по управлению движениями «Motor Control-2016». 14-16 апреля 2016 г. Казань. С. 21.

Zelenin PV., Musienko PE., Gorskii OV., Lyalka VF., Gerasimenko YP., Orlovsky GN., Merkulieva N., and Deliagina TG. Activity of individual spinal neurons during locomotion initiated from brainstem and from spinal cord. 46nd Annual Meeting of the Society for Neuroscience, November 12-16, 2016, San Diego, USA.

 
 
 
Полезная литература:
 
Minev I.R.*, Musienko P.* et al. Electronic dura mater for long-term multimodal neural interfaces. // Science. - 2015. - Vol. 347 no. 6218. - P.159-163. [* contributed equally]
 
Wenger N., Moraud E.M., Raspopovic S., Bonizzato M., Di Giovanna J., Musienko P., Morari M., Micera S., Courtine G. Closed-loop neuromodulation of spinal sensorimotor circuits controls refined locomotion after complete spinal cord injury // Science Translational Medicine. – 2014. –  6(255): 255ra133. 
 
Borton D., Bonizzato M., Beauparlant J., Digiovanna J., Moraud E.M., Wenger N., Musienko P., Minev I.R., Lacour S.P., Millán J.D., Micera S., Courtine G. Corticospinal neuroprostheses to restore locomotion after spinal cord injury // Neuroscience Research. – 2014 – Vol. 78. – P. 21–29. Review.
 
Musienko P., Heutschi J., Friedli L., den Brand R.V., Courtine G. Multi-system neurorehabilitative strategies to restore motor functions following severe spinal cord injury // Experimental neurology. – 2012. – Т. 235. – №. 1. – С. 100-109. Review.
 
van den Brand R., Heutschi J., Barraud Q., DiGiovanna J., Bartholdi K., Huerlimann M., Friedli L., Vollenweider I., Moraud E.M., Duis S., Dominici N., Micera S., Musienko P., Courtine G. Restoring voluntary control of locomotion after paralyzing spinal cord injury // Science. – 2012. – Т. 336. – №. 6085. – С. 1182-1185.
 
Dominici N., Keller U., Vallery H., Friedli L., van den Brand R., Starkey M.L., Musienko P., Riener R., Courtine G. Versatile robotic interface to evaluate, enable and train locomotion and balance after neuromotor disorders // Nature Medicine. – 2012. – Т. 18. – №. 7. – С. 1142-1147.
 
Courtine G, van den Brand R, Musienko P. Spinal cord injury: time to move // Lancet. 2011, 377(9781):1896-8.
 
Musienko P., van den Brand R., Marzendorfer O., Roy R.R., Gerasimenko Y., Edgerton V.R., Courtine G. Controlling specific locomotor behaviors through multidimensional monoaminergic modulation of spinal circuitries // The Journal of Neuroscience. – 2011. – Т. 31. – №. 25. – С. 9264-9278.
 
Courtine G., Gerasimenko Y., van den Brand R., Yew A., Musienko P., Zhong H., Song B., Ao Y., Ichiyama R.M., Lavrov I., Roy R.R., Sofroniew M.V., Edgerton V.R. Transformation of nonfunctional spinal circuits into functional states after the loss of brain input // Nature Neuroscience. – 2009. – Т. 12. – №. 10. – С. 1333-1342.
 
Musienko P., van den Brand R., Maerzendorfer O., Larmagnac A., Courtine G. Combinatory electrical and pharmacological neuroprosthetic interfaces to regain motor function after spinal cord injury // Biomedical Engineering, IEEE Transactions on. – 2009. – Т. 56. – №. 11. – С. 2707-2711. Review.

 

 

Полезные ссылки:

 

https://ru.wikipedia.org/wiki/Нейропротезирование

http://www.infran.ru/Diss-Sovet/Musienko/Musienko-text-autoref.pdf

http://www.nkj.ru/archive/articles/21451/

https://www.nkj.ru/news/25648/

http://spbu.ru/news-spsu/24241-obezyany-pomogut-cheloveku-vosstanovitsya-posle-povrezhdeniya-spinnogo-mozga.html

https://www.nkj.ru/news/26863/

http://www.gazeta.ru/science/2015/01/09_a_6370437.shtml

http://www.nkj.ru/news/28002/

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Русский