КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер проекта 18-45-06006
НазваниеСверхширокополосные многоэлементные акустические детекторы для оптико-акустического мониторинга быстрой мозговой активности крупных нейронных популяций
Руководитель Субочев Павел Владимирович, Кандидат физико-математических наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики им. А.В. Гапонова-Грехова Российской академии наук" , Нижегородская обл
Конкурс №20 - Конкурс 2017 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований международными научными коллективами» (Helmholtz)
Область знания, основной код классификатора 05 - Фундаментальные исследования для медицины; 05-602 - Физические методы медицинской диагностики. Томография
Ключевые слова Функциональная биомедицинская диагностика, нейроимиджинг, широкополосные многоэлементные акустические антенны, оптоакустическая томография, мониторинг крупномасштабной нейрональной активности, .
Код ГРНТИ29.31.41
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Функциональные нарушения центральной нервной системы являются одной из наиболее серьезных проблем современного здравоохранения, ведущей к существенному ухудшению качества жизни пациентов и сопутствующим существенным экономическим издержкам. В настоящее время основные механизмы функционирования мозга в норме и при различных патологиях изучены не в полной мере, что препятствует разработке эффективных методов лечения. Существенным недостатком современных методов нейроимиджинга (таких как функциональная магнитно резонансная томография (ФМРТ) и оптическая микроскопия/томография) является невозможность трехмерной биомедицинской визуализации крупных нейронных популяций in vivo в режиме реального времени.
Целью настоящего проекта является разработка и апробация биомедицинского оптико-акустического (ОА) томографа нового поколения, предназначенного для трехмерной визуализации быстрой активности крупных нейронных популяций в мозге с пространственным разрешением на уровне единичных клеток.
Прибор будет реализовывать так называемый пятимерный подход к биомедицинской оптико-акустической томографии, активно развиваемый немецкими участниками консорциума. Пятимерный подход заключается в одновременном использовании различных оптических длин волн зондирования для трехмерной оптико-акустической визуализации различных светопоглощающих хромофоров с высоким временным разрешением. В рамках подготовительных работ немецкой команде удалось превзойти существующие методы нейроимиджинга за счет демонстрации возможностей одновременной неинвазивной визуализации изменений гемодинамических параметров в измерительном объеме и трехмерного мониторинга биораспределения и быстрой кинетики спектральных характеристик кальциевых зондов в мозге экспериментального животного на рекордных глубинах. Однако, эти результаты были достигнуты с относительно низким пространственным разрешением, не достаточным для визуализации крупных нейронных популяций на клеточном уровне.
Для достижения цели проекта планируется осуществить технологические усовершенствования существующих экспериментальных подходов к биомедицинской оптико-акустической визуализации мозга. В первый год выполнения проекта российской стороной будет проведено численное моделирование формирования ОА сигнала в разрабатываемом ОА сканере, что позволит оптимизировать частотно-геометрические параметры оптического зондирующего блока и приемной акустической многоэлементной антенны. Будут разработаны фантомы мозга мыши, которые будут использованы в модельном эксперименте. Апробация будет проведена как на фантомах, так и в in vivo эксперименте. Параллельно немецкой командой будут разработаны реконструктивные оптико-акустические алгоритмы, предназначенные для трехмерной визуализации быстрой нейронной активности в режиме реального времени. Во второй год российской стороной будет разработана многоэлементная антенна, которая будет интегрирована в разрабатываемый ОА томограф. Параллельно немецкой командой будет проведено in vitro тестирование белковых (генетических) зондов, а также рН- и кальций-чувствительных органических меток для оптоакустического нейроимиджинга. В заключительный год проекта будут проведены биомедицинские оптико-акустические исследования нейрональной активности мозга мыши in vivo в состояния покоя и при стимуляции с использованием разработанных методов.
Залогом взаимовыгодного сотрудничества между Мюнхенским техническим университетом и Институтом прикладной физики РАН будет являться уникальный опыт обеих проектных команд в проектировании современных оптико-акустических систем, предназначенных для биомедицинских исследований. Немецкий коллектив обладает уникальным оптико-акустическим оборудованием и инфраструктурой для проведения экспериментальных in vivo исследований. Российский коллектив обладает высокой квалификацией в области численных методов и инженерными навыками создания многоэлементных ультразвуковых антенн мирового уровня. В результате взаимовыгодного сотрудничества будет разработан уникальный томограф для нейровизуализации in vivo, основанный на уникальном оптико-акустическом оборудовании немецкого коллектива, многоэлементной антенне российского коллектива и алгоритмах оптико-акустической реконструкции обоих коллективов.
Разработанная ОА технология предоставит нейробиологам уникальную возможность исследований трехмерной динамики распределенных процессов в живом мозге, недостижимую при использовании других современных методов нейровизуализации. В сочетании с хорошо зарекомендовавшей себя способностью оптоакустики визуализировать сосудистую анатомию и измерять различные гемодинамические параметры на различных глубинах биологических тканей мозга, новая методика предоставит новые возможности для изучения нейронной активности и нейроваскулярного сопряжения как в здоровых организмах, так и при наличии заболеваний центральной нервной системы.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Публикации
1.
Субочев П.В., Перекатова В.В., Кириллин М.Ю., Орлова А.Г., Смолина Е.О., Логинова Д.А., Турчин И.В.
Wideband optoacoustic detectors for multi-scale characterization of the vasculature
2018 International Conference Laser Optics (ICLO), Номер статьи 8435601, с. 482-482 (год публикации - 2018)
10.1109/LO.2018.8435601
2. Орлова А.Г., Субочев П.В., Моисеев А.А., Смолина Е.О., Ксенофонтов С.Ю., Кириллин М.Ю., Шахова Н.М. Бимодальная визуализация функциональных изменений кровотока методами оптоакустической и оптической когерентной ангиографии Квантовая электроника (год публикации - 2019)
Публикации
1.
Перекатова В.В, Субочев П.В., Кириллин М.Ю., Сергеева Е.А., Куракина Д.А., Орлова А.Г., Постникова А.С., Турчин И.В.
Quantitative techniques for extraction of blood oxygenation from multispectral optoacoustic measurements
Laser Physics Letters, Volume 16, Number 11, 116201 (12pp) (год публикации - 2019)
10.1088/1612-202X/ab4dab
2.
Орлова А.Г., Сироткина М.В., Смолина Е.О., Елагин В.В., Турчин И.В., Субочев П.В.
Optoacoustic angiography of experimental tumors
Progress in Biomedical Optics and Imaging - Proceedings of SPIE, Vol. 11077, 1107711 (1-3) (год публикации - 2019)
10.1117/12.2527148
3.
Спадин М., Джагер М., Нюстер Р., Субочев П., Фрэнц М.
Quantitative Comparison of Frequency-Domain and Delay-and-Sum Optoacoustic Image Reconstruction including the Effect of Coherence Factor Weighting
Photoacoustics (год публикации - 2019)
10.1016/j.pacs.2019.100149
Публикации
1.
Субочев П.В., Смолина Е.О., Сергеева Е.А., Кириллин М.Ю., Орлова А.Г., Куракина Д.А., Эмянов Д.И., Рязанский Д.
Toward whole-brain in vivo optoacoustic angiography of rodents: modeling and experimental observations
Biomedical Optics Express, Vol. 11, No. 3, 1477-1488 (год публикации - 2020)
10.1364/BOE.377670
2.
Хоффман У.А.Т., Реблинг Йо., Эстрада Г., Субочев П., Рязанский Д.
Rapid functional optoacoustic micro-angiography in a burst mode
Optics Letters, Vol. 45, No. 9, 2522-2525 (год публикации - 2020)
10.1364/OL.387630
3.
Субочев П.В., Смолина Е.О., Сергеева Е.А., Кириллин М.Ю., Орлова А.Г., Куракина Д.А., Эмянов Д.И., Рязанский Д.
Toward Whole-Brain In Vivo Optoacoustic Angiography of Rodents: Modeling and Experimental Observations
OSA Biomed Conference Proceedings, Part F179-OTS-2020 Photonics and Ultrasound II (SW4D) (год публикации - 2020)
10.1364/OTS.2020.SW4D.2
4.
Турчин И.В., Перекатова В.В., Кириллин М.Ю., Куракина Д.А., Орлова А.Г., Субочев П.В.
Analysis of different approaches for blood oxygenation determination from multispectral optoacoustic measurements
Proceedings of SPIE, Том 11077, Номер статьи 110770B (год публикации - 2019)
10.1117/12.2526988
5. Субочев П.В., Дин-Бин Х.Л., Прудников М.Б., Воробьев В.А., Постникова А.С., Харитонов А.А., Проявин М.Д., Овсянников Р.И., Кириллин М.Ю., Турчин И.В., Орлова А.Г., Рязанский Д. Five-dimensional optoacoustic micro-angiography with ultrawideband high density polymer-based spherical arrays Nature Methods (год публикации - 2021)
6.
Субочев П., Курников А.,Сергеева Е., Кириллин М., Капустин И., Беляев Р., Ермошкин А., Мольков А.
Optoacoustic Sensing of Surfactant Crude Oil in Thermal Relaxation and Nonlinear Regimes
Sensors, 21(18), 6142(1-13) (год публикации - 2021)
10.3390/s21186142