CC BY
2BIOLOGICAL SCIENCES
Богайчук I.В.
маггстр ФБМ1, НТУУ «КП1 iM. 1.С1корського» (м. Кш'в)
Козш M.I.
магктр ФБМ1, НТУУ «КП1 iM. 1.Скорського» (м. Кшв)
Зубков С.В.
старший викладач ФБМ1, НТУУ «КП1 iM. 1.Скорського» (м. Кшв) НЕЙРОСТИМУЛЯЦ1Я: МЕХАН1ЗМ ЗВОРОТНОГО ЗВ'ЯЗКУ NEUROSTIMULATION: FEEDBACK MECHANISMS
Bohaichuk I.
Master Degree FBME, NTUU «Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute» (Kyiv)
Kozii M.
Master Degree FBME, NTUU «Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute» (Kyiv)
Zubkov S.
Senior Lecturer NTUU «Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute» (Kyiv)
АНОТАЦ1Я
У статп наведеш результати дослщження мехашзму нейростимуляци з тдтриманням зворотного зв'язку на основi методу iмпедансометрil. Для побудови моделi бюелектричного iмпедансу суспензи i комп'ютерного моделювання процесу 1х стимуляцп використаний змiнний струм рiзноl форми (сигнали iз заданими характеристиками). Побудованi графши залежностi iмпедансу ввд частоти сигналу стимуляцп. Наведено еквiвалентну схему замщення об'екту дослiдження - суспензи нейромедiаторiв головного мозку мишi.
ABSTRACT
The article presents the results of the research mechanism of feedback in neurostimulation on the basis of impedancemetry. To construct the model bioelectrical impedance suspension and computer modeling of the process of stimulation used ac in different shapes (signals with desired characteristics). Built plots of dependence impedance and frequency signal of stimulation. Showing equivalent circuit of the research object - suspension neurotransmitters of the brain of the mouse.
Ключовi слова: нейростимулящя, е^валентна схема замщення, модельований сигнал, фшьтращя, спектральний аналiз, iмпеданс.
Keywords: neurostimulation, equivalent circuit, modeled signal, filtering, spectral analysis, impedance.
Вступ. У медичнш практищ з метою лшування та профшактики застосовують низку електротера-певтичних процедур, основаних на ди струмiв рiз-но! частоти. Незважаючи на поширення електроль кування, механiзми дii та характеристики стимулiв у рiзних бюлопчних структурах дослiдженi недо-статньо. Розвиток технологш створив умови для нового бачення методики стимуляцп. Актуальшсть роботи зумовлена наявнютю широкого кола пато-логiчних i граничних станiв, яш пiддаються л^у-ванню шляхом фiзiотерапевтичних впливiв на рiзнi ланки нервово! системи, що пiдтверджуeться досль дженнями провiдних унiверситетiв свiту i значною защкавлешстю користувачiв типових девайсiв для:
• швидкого вiдновлення здоров'я (замша фар-макологiчних засобiв)
• стимуляцп фiзичних можливостей органiзму (тренування спортсмешв)
• стимуляцii' розумових здiбностей (тдготовка до екзаменiв)
• лiкування порушення психологiчного та емо-цiйного стану
Мета i задачь Головною метою цiei роботи е пiдвищення ефективносп нейростимуляцii шляхом
застосування модульованих сигналiв та забезпе-чення зворотного зв'язку на основi iмпедансометрii нервових клтгин.
Для досягнення мети дослiдження були поста-вленi наступнi задачi:
• провести огляд науково1 лiтератури для оць нки ефективностi рiзних методiв i режимiв нейрос-тимуляцii.
• за результатами аналiзу науково-техшчно1' лггератури вибрати оптимальний метод нейростимуляци та iнформативнi показники лiкувальноi ди для використання !х в системi зворотного зв'язку.
• визначити частотну область i ефективнi па-раметри нейростимуляцiйних впливiв.
• побудувати модель бюелектричного iмпеда-нсу суспензii нейробласпв i провести комп'ютерне моделювання процесу !х стимуляцii (сигналами iз заданими характеристиками) для пвдтвердження працездатностi розробки.
• сконструювати апаратну частину установки та виконати експериментальнi дослiдження.
• тдтвердити вiдповiднiсть параметрiв розра-ховано1' моделi та реального зразка за результатами експерименту.
Результати дослщження та Ух обговорення.
Аналiз механiзмiв поширення струму при нешвази-вному впливi вимагае врахування бюфiзичноl дп струму на мозок. Форма i параметри стимулiв ви-значають ефективнiсть проведения процедури. Вони визначаються критерiями адекватностi впливу, яким задовольняе ряд сигналiв з обмеже-ним спектром, зосереджених в обласп ефекту мшь мального пошкодження клiтин. Поряд з iмпульс-ними струмами низько! частоти як1 мають трикутну прямокутну i експоненцiальну форми iмпульсiв для електростимулювання використовують дiадинамi-чнi та модулюючi струми (зокрема дослвдження ви-конане з використанням синусо!дального стимулу).
Для проведення нейростимуляцп вибрали тес-товий сигнал на основi 3 основних вимог: вш симе-тричний до осi часу i без постшно! складово! (пос-тiйна складова поширюеться по шкiрi i ввдчува-еться як печшня), перша похiдна без розриву першого роду (без заломiв, змiна похвдно! ввдчува-
еться як рiзкий укол), мае гармошки дешлькох частот (необхвдно поеднання мшмум 2-х для мiжклi-тинно! i внутршньоклггиннох стимуляцп). Доць льно було ввести автоматичне yправлiння параметрами сигналу за певним алгоритмом модуляцл.
Завдяки моделюванню сигналiв в середовищi Micro-Cap вдалося визначити характеристики кожного стандартного сигналу. Дослвдження стрyмiв з синусо!дальною формою iмпyльсiв проведено за допомогою математичних формул та перетворень при рiзнiй тривалостi (ввд 1 до 300мс) i модуляцп !х у серп рiзноl частоти (вiд 1кГц до 100кГц) при величии сили струму до 1мА. Зпдно iнформацiйних джерел та принципу електрично! iмпедансноl томо-графи обгрунтовано зменшення бiоiмпедансy з збь льшенням частоти впливу. Доцшьною для досл1-дження визначили область в межах 5 та 100 кГц. Саме на цих частотах вщбуваеться проходження сигналу стимуляцп по мiжклiтинномy та внутрш-ньоклiтинномy просторi. Синтезували фiльтр з об-меженням в облает! 5 та 100 кГц (рис.1).
Рис. 1. - Фшьтр 5 та 100 кГц
Експеримент проводився наступним чином: ктральний аналiз проведений для воображения на-для стимуляцп використовували модельований си- явностi частот 5 та 100 кГц, що доказуе правиль-нусовдальний сигнал на рiзнiй частот (рис.2). Спе- нiсть побудови ф№тру.
Рис.2. - Модельований синусогдальний сигнал
Розрахунковим способом на шдстаы даних до-слвдження визначили основш контрольнi значення взаемозв'язку мiж iмпедансом середовища та на-пруги на виходi системи.
З використанням математичних перетворень та апроксимацп криво! залежносп вивели екывале-нтну електричну схему iмпедансу експерименталь-ного зразка (рис.3).
Рис. 3. - Е^валентна схема суспензп
Оскшьки структури сусщтх клггин дiють як електричнi зв'язки в умовах експерименту (тобто в трансмембранш конденсатори то бiологiчна тка- невдеальних). нина мае на додаток до його резистивних властиво-стей ще й емнiсть. Iндуктивнiсть в схемi ввдображае
Рис. 4. - Графж залежностi iMnedaHcy eid частоти сигналу стимуляцп побудований у Micro-Cap з використанням еквiвалентноi схеми
В результат моделювання отримали криву (рис.4) i ствставили ii з розрахунковою (рис.5) по даним експерименту з ввдображенням лши тренду з
виведенням рiвняння i величини достовiрностi апроксимацп.
1200 1000 > 800 с£ 600 > 400 200 0
y = 1021,9x-1,082 -R2 ~ 0,971-
(N fO 1Л О 1Л
01Л01Л000000000000000 1Л1~^0гм1Л01Л01Л01Л00000000
н н N гч m ^ ю
f, Hz
Рис. 5. - Графж залежностi iмпедансy eid частоти сигналу стимуляцп побудований за результатами
експерименту
Графiки щентичт, що шдтверджуе правиль-нiсть вибору моделi i li параметрiв. З замшою сигналу стимуляцй' та використанням будь-яко! бiльш ускладнено! екывалентно! схеми алгоритм визна-чення iмпедансу не змiниться. Особливiстю нейро-стимуляци зi зворотнiм зв'язком е корегування па-раметрiв процедури безпосередньо тдчас стиму-лювання, а саме тому отримаш параметри стимулу перевiрили тд час спостереження ефекту видь лення нейромедiатора.
Висновки. В результатi роботи була створена модель суспензп, яка дозволяе ввдпрацювати методику нейростимуляцп та прогнозувати ефектив-нiсть процедури. Обраний сигнал задовольняе ста-ндарти i при цьому немае негативних факторiв. На основi алгоритму спланували експеримент з зраз-ками синаптосом та отримали першi результати в ощнщ поведiнки нейромедiатора у багатокомпоне-нтнiй суспензп. Результати роботи використову-ються пiд час дослвджень з застосуванням апарату
в якому впроваджений алгоритм зворотного зв'язку.
Список лггератури
1. Илюхина В. А. Транскраниальная микрополяризация в физиологии и клинике // Ю.К. Матвеев, Е.М. Чернышева. - Москва, 2006. - 192с.
2. Шелякин А. М. Микрополяризация мозга. Теоретические и практические аспекты // Г. Н. По-номаренко - Санкт-Петербург, 2006. - 224с.
3. Шелякин А. М. Микрополяризационная терапия в детской неврологии // И. Г. Преображенская, О. В. Богданов. - М: Медкнига, 2008. - 118с.
4. Transcranial electrical stimulation (tES - tDCS; tRNS, tACS) methods. [Електронний ресурс]. - 2014. - Режим доступу до ресурсу: https://www.researchgate.net/publication/279322740_ Transcranial_brain_stimulation_Potential_and_limitati ons
5. Transcranial brain stimulation: Potential and limitations. [Електронний ресурс]. - 2011. - Режим доступу до ресурсу: https://www.researchgate.net/publication/51549707_T ranscranial_electrical_stimulation_tES_-_tDCS_tRNS_tACS_methods
Семочкина М.А.
Нижневартовский государственный университет, аспирант кафедры экологии
ОБЗОР ОРГАНИЗМОВ-БИОРЕМЕДИАТОРОВ И МЕХАНИЗМОВ ФЕРМЕНТАТИВНОЙ БИОРЕМЕДИАЦИИ УГЛЕВОДОРОДОВ
REVIEW OF BIOREMEDIATORS AND MECHANISMS OF ENZYMATIC BIOREMEDIATION OF
HYDROCARBONS
Syomochkina M.A.
post-graduate student of the Department of Ecology of Nizhnevartovsk State University
АННОТАЦИЯ
Организмы могут использовать углеводородные загрязнители в качестве первичного или вторичного субстрата, вовлекать в процессы кометаболизма, использовать в качестве акцептора электронов или аккумулировать его в клетках. Для этого они используют эволюционно сформировавшиеся у них ферментативные комплексы разных биохимических типов. В статье приведен краткий обзор ферментативных механизмов деградации и трансформации углеводородов, а также групп организмов, их использующих.
ABSTRACT
Organisms can use hydrocarbon contaminants as a primary or secondary substrate, electron acceptors, involve contaminants in cometabolism reactions or accumulate them in cells. For these purposes, they use the evolution-arily formed enzymatic complexes from different biochemical types. The article gives a brief overview of enzymatic mechanisms of hydrocarbon degradation and transformation, as well as groups of organisms that use them.
Ключевые слова: биоремедиация, биоремедиатор, биотрансформация, биодеградация, углеводороды.
Keywords: bioremediation, bioremediator, biotransformation, biodegradation, hydrocarbons.
Введение
Интенсивное хозяйственное освоение, добыча, хранение, транспортировка и переработка полезных ископаемых, химическое производство и другие отрасли хозяйства производят и освобождают в окружающую среду (планово или аварийно) тонны органических загрязнителей, способных оказывать токсический эффект на биоту экосистем. В этих условиях особое значение приобретают организмы-биоремедиаторы (бактерии, грибы, водоросли), способные до определенного уровня снижать концентрации загрязнителей, вовлекая их в круговороты вещества и энергии. Среди соединений, которые могут быть ими деградированы или трансформированы, - такие токсиканты как нефть, толуол, бензол и другие углеводороды, элиминирование которых является неотъемлемой стадией природо-восстановительных мероприятий [22]. Способность микроорганизмов к биодеградации и биотрансформации загрязнителей и легла в основу технологии биоремедиации, т.е. восстановления среды за счет
использования естественных метаболических путей живых организмов [18]. Персистентность загрязнителя в окружающей среде может быть связана как с его физико-химическими особенностями, так и с банальным отсутствием организмов, способных его разрушить, в экосистеме, никогда прежде с этим загрязнителем не встречавшейся. Организмы-биоремедиаторы могут значительно снизить стойкость органических загрязнителей и ускорить процесс их разложения [23]. Вот почему информация об организмах-биоремедиаторах и механизмах ферментативной ремедиации может и должна быть использована для повышения эффективности процесса восстановления среды.
Цель настоящей статьи - рассмотреть метаболические особенности, которые позволяют организмам вовлекать загрязнители в процессы жизнедеятельности и тем самым снижать их концентрацию в окружающей среде.
