RU2793182C1 - Device for thermogenetic control of excitable tissues of living organisms - Google Patents
Device for thermogenetic control of excitable tissues of living organisms Download PDFInfo
- Publication number
- RU2793182C1 RU2793182C1 RU2021140130A RU2021140130A RU2793182C1 RU 2793182 C1 RU2793182 C1 RU 2793182C1 RU 2021140130 A RU2021140130 A RU 2021140130A RU 2021140130 A RU2021140130 A RU 2021140130A RU 2793182 C1 RU2793182 C1 RU 2793182C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- signal
- response
- electrical
- optical stimulation
- optical
- Prior art date
Links
- 230000004044 response Effects 0.000 claims abstract description 63
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 52
- 230000000638 stimulation Effects 0.000 claims abstract description 45
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims abstract description 13
- 239000000523 sample Substances 0.000 claims abstract description 13
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 15
- 230000010363 phase shift Effects 0.000 claims description 14
- 230000004936 stimulating effect Effects 0.000 claims description 6
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 4
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 2
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 claims description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 210000001519 tissue Anatomy 0.000 description 31
- 230000036982 action potential Effects 0.000 description 5
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 4
- 230000028161 membrane depolarization Effects 0.000 description 4
- 108091006146 Channels Proteins 0.000 description 3
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 description 3
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 2
- 230000001537 neural effect Effects 0.000 description 2
- 210000002569 neuron Anatomy 0.000 description 2
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 description 2
- 108090000312 Calcium Channels Proteins 0.000 description 1
- 102000003922 Calcium Channels Human genes 0.000 description 1
- BHPQYMZQTOCNFJ-UHFFFAOYSA-N Calcium cation Chemical compound [Ca+2] BHPQYMZQTOCNFJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 108090000862 Ion Channels Proteins 0.000 description 1
- 102000004310 Ion Channels Human genes 0.000 description 1
- 229920005830 Polyurethane Foam Polymers 0.000 description 1
- 241000283984 Rodentia Species 0.000 description 1
- 229910021607 Silver chloride Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 1
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 210000004556 brain Anatomy 0.000 description 1
- 229910001424 calcium ion Inorganic materials 0.000 description 1
- 210000000170 cell membrane Anatomy 0.000 description 1
- 210000003169 central nervous system Anatomy 0.000 description 1
- 230000001684 chronic effect Effects 0.000 description 1
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 1
- 230000002596 correlated effect Effects 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 230000007274 generation of a signal involved in cell-cell signaling Effects 0.000 description 1
- 230000002068 genetic effect Effects 0.000 description 1
- 238000002513 implantation Methods 0.000 description 1
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 description 1
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 1
- 229910052741 iridium Inorganic materials 0.000 description 1
- GKOZUEZYRPOHIO-UHFFFAOYSA-N iridium atom Chemical compound [Ir] GKOZUEZYRPOHIO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 210000004165 myocardium Anatomy 0.000 description 1
- 210000005036 nerve Anatomy 0.000 description 1
- 210000004126 nerve fiber Anatomy 0.000 description 1
- 230000008447 perception Effects 0.000 description 1
- 239000013600 plasmid vector Substances 0.000 description 1
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 1
- 239000011496 polyurethane foam Substances 0.000 description 1
- HKZLPVFGJNLROG-UHFFFAOYSA-M silver monochloride Chemical compound [Cl-].[Ag+] HKZLPVFGJNLROG-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 210000002027 skeletal muscle Anatomy 0.000 description 1
- 229910001415 sodium ion Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 1
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 1
- 230000002123 temporal effect Effects 0.000 description 1
- 239000013603 viral vector Substances 0.000 description 1
Images
Abstract
Description
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.The invention relates to experimental devices in biotechnology and can be used to debug thermogenetic control schemes for excitable tissues of living organisms and can be used in experiments where fast pulsed heating is used, which must be synchronized or correlated with electrical response signals. Also, this device in various versions can serve as a non-contact stimulator of the striated skeletal or cardiac muscle of a person.
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.When thermogenetic technologies are used, thermosensitive calcium channels are expressed in tissue cells, which open at a slight (up to 39-43°C) temperature increase, and in an amount sufficient to depolarize cell membranes upon opening. When adapting this technology to excitable tissues, the problem often arises to correlate heating and biopotentials: for example, if pulsed heating and parallel reading of the electrical response of the tissue are needed, or if heating is needed in response to the occurrence of a potential of a certain intensity or frequency in the tissue.
Из уровня техники известны следующие аналоги для осуществления термогенетических технологий в клетках возбудимых тканей.The following analogues are known from the prior art for the implementation of thermogenetic technologies in the cells of excitable tissues.
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.A known device and method for stimulating neuronal tissue using optical stimuli /patent No. US 8721695 B2/. The device is a device with multiple stimulation modules applied at the site where the optical stimulus changes the phase of neuronal activity when applied to abnormally synchronized neurons. The disadvantage of the device is the lack of fast pairing of the driving signals of the optical emitter and the induced signals of the excitable tissue. Also, this method does not provide for temperature control, which is necessary in thermogenetic schemes.
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.Known device and method for stimulation of pulsed infrared light neurons of the central nervous system /patent No. US 9044596 B2/. The device is an installation consisting of a laser, a laser controller, a high-speed camera, and an image processing controller. During stimulation of the brain of rodents, feedback in some versions of the setup was carried out using a piezoelectric antennae mobility controller. The disadvantage of this device is the lack of temperature and electrical feedback during optical stimulation.
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).Known device and method for stimulating the nerve fiber combined electrical and optical signals /patent No. US 8160696 B2/. The device and method are designed to stimulate the nervous tissue (for example, by inducing an action potential (AP) in a patient's nerve) with both optical and electrical stimuli. In this case, it is assumed that the nervous tissue is prepared in advance in such a way that exposure to light causes depolarization in it and the formation of AP. Embodiments may include a plurality of electrodes and/or optical emitters. The disadvantage of the device is the lack of fast coupling of the control signals of the optical emitter and the signals of the electrical response of the excitable tissue. Also, this method does not provide for temperature control, which is necessary in thermogenetic schemes. The specified technical solution is a prototype (the closest analogue).
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.Thus, the technical problem lies in the inability to effectively synchronize short heating pulses of excitable tissue and the electrical response that occurs in this tissue in response to heating pulses.
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.When solving the claimed technical problem, the following technical result(s) is achieved: the possibility of synchronizing short pulses of heating of the excitable tissue and the electrical response that occurs in this tissue in response to the heating pulses.
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.To solve the claimed technical problem and achieve the claimed technical result, a device for thermogenetic control of excitable tissues of living organisms is proposed, containing an optical stimulation signal source in the form of a diode IR laser with a controlled power supply, probes for receiving response signals, an amplifier associated with them, a signal convergence unit, and an associated controller for processing input signals and controlling stimulation.
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.A distinctive feature of the device is that the probes for receiving response signals are at least one electrode and a thermocouple for analyzing the thermal response, the device has a signal converger, which is connected simultaneously with the source of the optical stimulation signal and the probes for obtaining electrical and thermal response signals, and configured with the ability to analyze the phase shift between the optical stimulation signal and the electrical (and in some cases thermal) responses and change the characteristics of optical stimulation depending on this shift.
В одном варианте диодный ИК-лазер может быть снабжен блоком независимого охлаждения.In one embodiment, the diode IR laser may be provided with an independent cooling unit.
В одном варианте диодный ИК-лазера может быть оснащен источником светового сигнала видимой индикации.In one embodiment, the diode IR laser may be equipped with a visible indication light source.
В одном варианте устройство может быть оснащено блоком оптического смешения, который связан с источником сигнала видимой индикации.In one embodiment, the device may be equipped with an optical mixing unit that is coupled to a visible indication signal source.
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.In another version, the controller, the optical stimulation control signal generator, the pulse converger, the electrical response signal amplifier and the IR laser power supply are located on the same printed circuit board or chip.
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.Claimed is a method of optical stimulation, carried out by a device for thermogenetic control of excitable tissues of living organisms, including generating an optical stimulation signal and supplying an optical stimulation signal through an optical fiber; using a visible indication light signal that indicates the location where the optical stimulation signal should be applied, using probes to receive response signals.
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.The claimed method differs in that thermocouples are used to obtain a thermal response, the device supplies a control electrical signal to the input of the signal converger, performs processing of electrical and thermal response signals, and also analyzes the phase shift between the optical stimulation signal and electrical (and in some cases thermal) responses and changes the characteristics of optical stimulation depending on this shift.
Для вычисления фазового сдвига используют управляющий электрический управляющий сигнал оптической стимуляции.To calculate the phase shift, a control electrical control signal of the optical stimulation is used.
Для вычисления фазового сдвига используют сигналы тепловых и электрических откликов.Thermal and electrical response signals are used to calculate the phase shift.
Для анализа теплового отклика используют комбинацию термопар, расположенных на разном расстоянии от места оптической стимуляции.To analyze the thermal response, a combination of thermocouples located at different distances from the site of optical stimulation is used.
Для анализа пространственной динамики электрического отклика используют комбинацию электродов.A combination of electrodes is used to analyze the spatial dynamics of the electrical response.
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.Description of the installation in statics The claimed device is illustrated by figures 1 and 2, which shows the general scheme of the claimed device in two versions. Neither figure 3 shows a way to organize feedback between the optical stimulus and electrical and thermal responses.
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).The device for thermogenetic control of excitable tissues of living organisms contains an optical stimulation signal source in the form of a diode IR laser (1) with a controlled power supply (2), probes for receiving response signals (3-4), associated amplifiers (5-6), a signal converger (7) and a controller (8) connected to the optical stimulation control signal generator (9), which, in turn, sends signals to the laser power supply (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.The probes for receiving response signals are at least one electrode (3) for electrical response analysis and a thermocouple (4) for thermal response analysis. The signal converger (7) is connected simultaneously with the source of the optical stimulation signal in the form of a diode IR laser (1) and the amplifiers of the electrical and thermal response signals and is configured to analyze the phase shift between the optical stimulation signal and the electrical and/or thermal response signal and with the possibility of changing the characteristics of optical stimulation depending on this shift.
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).In one embodiment, the diode IR laser is equipped with an independent cooling unit (10), a visible indication light signal source (11), an optical mixing unit (12), which is connected to a visible indication signal source (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).In another version, shown in figure 2, the system does not have thermal response control in the form of elements (4,6), but the controller (1), the optical stimulation control signal generator (9), the pulse convergence unit (7), the electrical response signal amplifier (5) and the IR laser power supply (2) are located on the same board or chip. The laser (1) in this embodiment does not need independent cooling (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).When selecting components for the claimed device, one should be guided by the standard temporal characteristics of mammalian excitable tissue pulses, in which the duration of the depolarization pulse can be less than a millisecond in width, and the pulse frequency distance in a burst can reach one hundred hertz. This means that both the control signal generator (9), and the laser (1) with its power supply (2), and the amplifier (5-6), and the signal converger (7) must operate at a frequency of tens of kilohertz (have response times less than tens of microseconds). The required characteristics allow these components to be made in a compact and low-power version for a light version of the device (Fig. 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.As probes for measuring the electrical response, at least three electrodes are used, namely two electrodes fed to the differential inputs of the amplifier (5) and an electrode connected to the signal ground of the amplifier (5); electrodes can be placed invasively or non-invasively. For the invasive method, needle electrodes of various sizes made of stainless steel can be used, which are inserted directly into the tissue. For a non-invasive method, disposable silver chloride electrodes with an adhesive polyurethane foam base, coated with a conductive gel, can be used, which are attached to the skin, from which the hair is previously removed. For continuous stimulation, it is possible to use electrodes for chronic implantation made of platinum or iridium with polymer insulation.
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.For the device, it is assumed to use microscopic thermocouples available at the current level of technology with a minimum response time (reaching a unit - tens of milliseconds). Thus, the use of the thermocouple signal in feedback protocols is limited to stimulation modes with a maximum frequency of 10-20 Hz.
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.Description of the setup in dynamics: First, the excitable tissue (13) is prepared for the perception of a thermal stimulus, namely, that incoming thermal stimuli cause partial or complete depolarization. This is achieved through the expression of thermosensitive ion channels in the target tissue. Such channels provide depolarization, allowing calcium ions and, to a lesser extent, sodium ions to enter the cell when opened. The opening of the channels occurs with a slight heating - up to 39-43°C. Delivery of genetic constructs encoding these channels into the tissue is carried out using plasmid or viral vectors.
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.Next, a beam of infrared light is supplied to influence the desired location (14), where the optical stimulation signal should be applied. In one embodiment, the location (14) is searched using a visible indication signal. To do this, the visible indication signal source (11) is turned on, and the optical mixing unit (12) is configured to mix IR and visible light.
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).Next, the excitable tissue is exposed to an optical stimulus. Optical stimulus control signals based on the program in the controller (8) are generated in the control signal generator unit (9) and fed to the input of the diode IR laser power supply unit (2). The pulse from the diode IR laser (1) is fed through the light guide to the excitable tissue (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).Two types of probes are inserted into the tissue to receive response signals: electrodes (3) and thermocouples (4). The electrical response signal is sensed by the electrodes and amplified by the electrical signal amplifier (5); the thermocouple signal is also amplified by the thermocouple amplifier (6). The amplified signals are delivered to the pulse converger (7) together with the optical stimulation signal from the laser (1) or (in one embodiment) together with the control signal from the generator (9). From the pulse converger, the signals are sent to the controller (8), which calculates the phase shift between the stimulation signal and the response (or, in one embodiment, between thermal and electrical responses). Depending on the phase shift, the controller changes the control signal generation parameters in block (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.Feedback is implemented by stimulation through the time interval from the last response (hereinafter referred to as Fig. 3a). Let us consider the case when it is necessary to provide stimulatory support to an excitable tissue - to initiate the occurrence of several action potentials (AP) in it with a certain interval T in response to at least one initial electrical response arising in the tissue.
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.In one embodiment, in excitable tissue, the phase shift time w2 between the optical stimulus pulse (curve 1) and the electrical response pulse (curve 3) is calculated. Next, the controller is adjusted to deliver the stimulus at interval w3 (=T-w2) from the last electrical response of tissue excitation (FIG. 3b), which provides the necessary stimulatory support.
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.In another variant, the phase shift time w1 is additionally measured in the excitable tissue between the optical stimulus pulse (curve 1) and the thermal response pulse (curve 2). Next, the controller is configured in such a way that it gives out a stimulus at the time t=(Tt+[T-w1])/2+(Te+[T-w2])/2, where Tt is the moment of the last thermal response, Te is the moment of the last electrical response. Thus, in this variant, the required stimulatory support is also achieved, however, possible fluctuations of both phase shifts w1 and w2 under experimental conditions are additionally taken into account.
Claims (14)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2793182C1 true RU2793182C1 (en) | 2023-03-29 |
Family
ID=
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8160696B2 (en) * | 2008-10-03 | 2012-04-17 | Lockheed Martin Corporation | Nerve stimulator and method using simultaneous electrical and optical signals |
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8160696B2 (en) * | 2008-10-03 | 2012-04-17 | Lockheed Martin Corporation | Nerve stimulator and method using simultaneous electrical and optical signals |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Bernstein J. G., Garrity P. A., Boyden E. S. Optogenetics and thermogenetics: technologies for controlling the activity of targeted cells within intact neural circuits //Current opinion in neurobiology, 2012, Т. 22, No. 1, С. 61-71. Bath D. E. et al. FlyMAD: rapid thermogenetic control of neuronal activity in freely walking Drosophila //Nature methods, 2014, Т. 11, No. 7, С. 756-762. Галанов А. Э., Черепанов А. А., Селюкова Г. П. Перспективы освоения новых технологий на базе опто- и термогенетического векторного возбуждения клетки-мишени // АПК: инновационные технологии, 2020, номер 4, стр. 35-40. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US8498699B2 (en) | Method and nerve stimulator using simultaneous electrical and optical signals | |
| US8160696B2 (en) | Nerve stimulator and method using simultaneous electrical and optical signals | |
| US10434327B2 (en) | Implantable optical stimulators | |
| US8029553B2 (en) | Portable laser and process for pain research | |
| US10722713B2 (en) | Stimulation patterns for treating dry eye | |
| CN106793955B (en) | Methods and systems for identifying sources of chronic pain and treating them | |
| US7402167B2 (en) | Portable laser and process for producing controlled pain | |
| US20070167985A1 (en) | System and method for controlling hypothalamic function via vestibular stimulation | |
| US10688301B2 (en) | Device and methods for delivery of stimulation to a body tissue | |
| US8652130B2 (en) | Method and device for soft tissue ablation | |
| JP2022505570A (en) | Controlled neurostimulation methods and devices | |
| US20100280570A1 (en) | Apparatus for the stimulation of the spinal chord | |
| KR20170074926A (en) | Stimulation devices and methods for treating dry eye | |
| CN110913946B (en) | Intersecting short pulse electrical stimulation of the brain | |
| US11351368B2 (en) | Megahertz compression of nanosecond pulse bursts | |
| WO2017122195A1 (en) | Impedance monitoring during electrostimulation | |
| US10874846B2 (en) | Transcutaneous electrical nerve stimulation electrode needle and transcutaneous electrical nerve stimulation device | |
| WO2020077275A1 (en) | Methods and system for selective and long-term neuromodulation using ultrasound | |
| RU2793182C1 (en) | Device for thermogenetic control of excitable tissues of living organisms | |
| RU2711511C1 (en) | Electroporation device | |
| KR101064369B1 (en) | Moxibustion Drug Patch Type High Frequency Stimulator for Temperature Control | |
| KR102792412B1 (en) | stimulation apparatus for erector spinae muscle | |
| JP2020179169A (en) | Drug, etc. administration device, actuation method thereof, and supporter | |
| Silkuniene et al. | MHz compression of pulse packets facilitates remote focusing of electroporation | |
| US20250295909A1 (en) | Apparatus and methods to treat menopause and associated symptoms by modulating nerve activity |