Лаборатория умного сна сгу
Лаборатория «умного сна»
Мега грант
Министерства науки и высшего образования РФ
On-line курс «Лимфасон»
Прорывные открытия в нейробиологии
Руководитель проекта
Томас Пензель Уолтер Фридель
Группы
Технологии выявления терапевтических окон сна на животных
Научное направление группы нейрофизиологов направлено на исследование функций церебральной лимфатической системы и разработку прижизненных методов визуализации прозрачных лимфатических сосудов мозга человека и животных. Группа владеет методами анализа дренажных и очистительных процессов мозга с применением двух-фотонной, конфокальной и электронной микроскопии, магнитно-резонансной томографии, электроэнцефалографии, гистологических и морфологических подходов.
Клинические исследования функций лимфатической системы мозга
В клинических исследованиях с применением современных технологий визуализации структур мозга проводится изучение лимфатических процессов выведения токсинов из центральной нервной системы. Разрабатываются пионерские технологии модуляции лимфатическими процессами выведения из тканей мозга крови у новорожденных детей и бета-амилоида у пациентов с болезнью Альцгеймера.
Математическое моделирование дренажных процессов мозга
Проводится модельно-теоретический анализ движения жидкостей мозга по лимфатическим сосудам и зависимость этих процессов от состояния бодрствования и сна.
Оптические технологии визуализации лимфатических сосудов мозга
Разрабатываются пионерские методы прижизненной визуализации прозрачных лимфатических сосудов мозга и его оболочек, а также мониторинга в реальном режиме времени лимфодренажной функции мозга у грызунов с применением мультифотонной, флуоресцентной микроскопии и оптической когерентной томографии.
Нелинейный анализ и методы машинного обучения для развития смарт-технологий управления лимфатической системой мозга во время сна
Сосуды-невидимки на страже здоровья мозга
Открытие американскими учёными сосудов-невидимок было первым шагом. Кто сделает следующее? Этот приоритет есть у России в силу сложившихся идеальных условий, объединивших учёных мирового уровня в лаборатории «Умного сна», построенной на базе Саратовского национального исследовательского государственного университета имени Н.Г. Чернышевского.
Мегагрант на умные технологии
Лаборатория проводит специальные научные исследования в рамках реализации мегагранта, финансируемого Министерством науки и высшего образования РФ. Как рассказала заведующая кафедрой физиологии человека и животных, заместитель руководителя по коммерциализации научных разработок Научного медицинского центра СГУ О.В. Семячкина-Глушковская, стратегия мегагрантов в основном и нацелена на то, чтобы развивать «умные технологии»:
– В нашем случае – это портативные смарт-технологии управления восстановительными свойствами сна для нейрореабилитационной медицины. Неслучайно наше подразделение так и называется – лаборатория «Умного сна». Сегодня во всем мире меняются тактика и подходы к проблеме развития систем управления функциями мозга. Эти возможности появились сравнительно недавно, в связи с прорывными открытиями в области нейробиологии.
Наши американские коллеги пять лет назад «переоткрыли» эти лимфатические сосуды. А впервые на них обратил внимание еще два века назад итальянский анатом Паоло Масканьи. Он их описал, создал восковые фигуры, которые до сих пор хранятся в музее патологоанатомии в Вене. Но таков парадокс судьбы, что никто после него повторить этот эксперимент не смог. Около двух веков в медицине существовала догма об отсутствии в мозге прозрачных лимфатических сосудов, которые выполняют очистительную и защитную функцию в организме. И вот именно сегодня, когда меняются научные концепции о функциях мозга, стало возможным переосмыслить открытие Масканьи в плане развития принципиально новых технологий.
Итак, в 2015 году в США в университете Вирджинии, благодаря прогрессу в оптических технологиях, впервые были обнаружены сосуды-невидимки, которые до сих пор «прятались» в оболочках мозга и были незаметны для ученых. Это произвело переворот в науке и стимулировало существенный пересмотр научных знаний о работе мозга и его восстановительных функциях. Ученые заговорили о том, что мозг имеет иммунную систему, может активно защищаться от бактерий и вирусов, а также активно очищаться от токсинов и метаболитов. А раз так, значит, есть большие перспективы для развития принципиально новых технологий, о которых мы даже и не мечтали.
Это переворотное событие захватило и саратовских исследователей, хотя все началось как случайность, вернее, как случайная закономерность. Поездка Оксаны Валерьевны Семячкиной-Глушковской в Нью-Йорк на школу по совсем другой тематике, где она прослушала лекцию об открытии этих сосудов, закончилась тем, что она так вдохновилась этими исследованиями, что, вернувшись в Россию, за три дня переписала свой проект в Российский научный фонд уже по новой теме о сосудах-невидимках. Через какое-то время она встретила коллегу из клиники «Шарите» Томаса Пензеля, который стал руководителем мегагранта. Сегодня уникальная команда исполнителей включает мировых лидеров в области изучения сна (Томас Пензель, междисциплинарный центр медицины сна в клинике «Шарите», Берлин, Германия), в области менингеальной лимфатической системы (Джонатан Кипнис, медицинская школа университета Вирджинии, Шарлотсвилл, США) и нелинейных методов анализа сложных биологических сигналов (Юрген Куртц, Гумбольдтский университет, Берлин, Германия). Это молодой и сильный коллектив, одна команда, где «один за всех и все за одного», они открывают науку через высший пилотаж интуиции и на стыке наук, включая медицину, физику, биохимию.
Возможно ли управлять сосудами-невидимками?
Сегодня команда саратовских учёных изучает механизмы работы сосудов-невидимок во время сна. Это уникальное явление выглядит так: когда мы засыпаем, мозг закрывается от всего мира, чтобы поработать на самого себя, освободиться от тех продуктов, которые накопились в течение дня, а лимфатические сосуды-невидимки выполняют функцию пылесоса. Они активируются во время сна и очищают его ткани от токсических молекул, накопленных в течение дня или в процессе развития заболеваний, например, от крови после интракраниального кровоизлияния.
Таким образом, мегагрант объединил два открытия в новое направление научных исследований. СГУ возглавил это направление и первым в мире приступил к разработке специальных технологий изучения сосудов-невидимок в мозге, в том числе – уникальных портативных смарт-устройств для управления восстановительными способностями сна с целью их применения для нейрорегенеративной медицины. В основу этих технологий заложено выявление во время сна характерных медленных волн электрической активности мозга, ассоциированных с активацией очистительных свойств сна и стимуляцией этих процессов за счёт подачи неслышимого звука. Уникальные разработки показали первые результаты, когда спящий мозг эффективно очищался от токсичного белка бета-амилоида или от крови после интракраниальных геморрагий.
Поиск лимфатических сосудов в тканях мозга и изучение их роли продолжался учёными СГУ на протяжении всего прошлого года, сейчас на эту тему готовятся сразу несколько публикаций, а международные эксперты изучают результаты проведенных экспериментов.
Сосуды-невидимки спящего мозга – настоящий прорыв в медицине, закладывающий перспективы лечения таких патологий, как болезнь Альцгеймера, травмы мозга, интракраниальные геморрагии во время сна, без применения специальных препаратов, которые в 90% случаев не доходят до мозга из-за гематоэнцефалического барьера между кровью и его тканями.
Апробированные технологии помогут стимулировать лимфатические сосуды-невидимки для выведения накопленного токсичного белка. Они могут применяться и для очищения мозга от крови, которая токсична для мозга. Ведь при инсульте или аневризме кровь из тканей мозга начинает выходить на периферию именно по лимфатическим сосудам, и, чтобы человеку помочь, нужно стимулировать их работу. Особенно это важно для новорождённых. Как оказалось, в первый месяц жизни сосуды-невидимки работают наиболее активно, все остальные механизмы вывода жидкости из головного мозга не действуют.
Чудо-шапочка для новорождённых
Эта уникальная разработка саратовских учёных позволит новорожденным малышам эффективно восстанавливаться от микротравм мозга, полученных во время родов.
Даже самые благополучные и естественные роды порой оказываются сложным испытанием для стремящегося на свет маленького человека. При прохождении родовых путей у малышей нередко случается поверхностное повреждение мозга, а иногда и даже части его. Такие гематомы очень опасны для развития дальнейших функций – концентрации внимания, речи, логики. Вот почему такого малыша необходимо вовремя диагностировать, «откачать» естественным путем скопившуюся кровь – только после этого можно реально рассчитывать на позитивное развитие новорождённого.
Сейчас входящие в команду учёные, в том числе неврологи и неонатологи Саратовского медицинского университета им. В.И. Разумовского, приступили к фазе клинических испытаний новых технологий. Их практическое применение в неонатологии запланировано уже на этот год. Портативное оборудование, которое не требует специального обучения и может использоваться даже в домашних условиях в виде шапочек или наушников, будет стимулировать работу сосудов головного мозга малышей во время сна.
Как рассказала Оксана Валерьевна, будут использоваться два стимула: свет и неслышимый звук. Шапочка представляет собой ЭЭГ электроды, которые регистрируют стадии сна. В нее вшита разработанная учеными программа, позволяющая детектировать «терапевтические окна» сна, при которых активируется лимфатическая система мозга. Через вшитые в шапочку световоды подается стимулирующий сигнал на лимфатические сосуды-пылесосы, очищающие ткани мозга от токсинов и метаболитов.
Для учёных 2021 год будет очень насыщенным: их ждут патенты на новые технологии, они запускают клинические испытания, готовят к публикации статьи, которые позволят заявить о результатах исследований на международном уровне. В статье Inernational Journal of Molecular Science представлены основные идеи проекта, которые будут реализованы в клинической практике до конца этого года.
– В России мы пока единственные, кто работает в этом направлении, – констатирует Оксана Валерьевна Семячкина-Глушковская. – Подобные исследования проводятся впервые и имеют исключительное значение. Оно связано с такими важными моментами, как изменение менталитета и научных концепций о работе мозга во время сна, с появлением принципиально новых образовательных программ, а также с созданием креативного импульса в технологическом секторе страны, где гарантированно быстро появятся высококонкурентные на мировом рынке гаджеты «умного сна» для управления его восстановительными свойствами, в том числе в домашних условиях.
Для нас мегагрант Правительства РФ – большая честь, и мы понимаем свою ответственность за его результаты. Этот грант является очень важным стимулирующим началом и для развития научных исследований Саратовского университета. Больше половины суммы (85 миллионов рублей) мы потратили на закупку единственного пока в нашей стране супермикроскопа в современной комплектации с особым лазером для широких возможностей мультифотонной микроскопии. Он позволяет работать с разными организмами и без вреда для них глубоко проникать в тайны живого.
На сайте Минобрнауки вышел материал об исследованиях лаборатории «Умного сна» СГУ
На сайте Минобрнауки вышел материал об исследованиях лаборатории «Умного сна» СГУ
На сайте Минобрнауки опубликован материал об исследованиях российских вузов в области новейшей медицины, биомедицины или генетики – проектах, заявленных по программе «Приоритет 2030». Открывает обзор текст о достижениях лаборатории «Умного сна» СГУ.
Публикуем полную версию материала о нашей инновационной разработке.
В Саратовском национальном исследовательском государственном университете имени Н.Г. Чернышевского на новый этап выходит работа по изучению физиологии сна. Речь не только о теоретических результатах, но и об их практическом применении. Сейчас исследователи лаборатории «Умного сна» готовятся к стадии клинических испытаний опытных образцов уникальной шапочки для новорождённых, разработанной в этом году. Этот важнейший этап работы запланирован на следующий год.
Проекты лаборатории «Умного сна» посвящены изучению фундаментальных механизмов сна для развития технологий нейрореабилитационной медицины. Само появление лаборатории мирового уровня стало возможным благодаря выигранному в 2019 году мегагранту Минобрнауки. В частности, по этому гранту был куплен единственный в России по своей комплектации мультифотонный микроскоп, который позволяет изучать глубокие структуры мозга и других тканей животных в реальном режиме времени.
Одним из проектов лаборатории является разработка специальной шапочки для новорождённых. Руководит исследованиями Пензель Томас Уолтер, директор междисциплинарного центра сна в клинике Шарите (Берлин). Уникальная разработка саратовских учёных поможет младенцам эффективно восстанавливаться от полученных во время родов микрокровоизлияний в ткани мозга. Шапочка стимулирует во время сна работу церебральных лимфососудов, по которым выводятся продукты крови. В настоящий момент идут клинические исследования смарт-прибора в сотрудничестве с учёными Саратовского государственного медицинского университета.
«Наши разработки – пионерские. В масштабах мира мы первые, кто обнаружил “сосуды-невидимки” в тканях мозга и научился их стимулировать во время сна. СГУ первым заявил об этом на мировой арене», – подчёркивает Оксана Валерьевна Семячкина-Глушковская, доктор биологических наук, доцент, ответственный исполнитель мегагранта, заведующая кафедрой физиологии человека и животных биологического факультета и заместитель по коммерциализации научных разработок научного медицинского центра СГУ. В Саратовском университете для развития данного направления запущена новая образовательная программа магистратуры, разрабатываются две программы повышения квалификации. Сейчас готовится международная научная публикация по «сосудам-невидимкам».
Проекты лаборатории «Умного сна» послужили основой для формирования стратегического проекта «Технологии персонализированной медицины» десятилетней программы развития вуза «Приоритет 2030».
Четверть вузов ― участников программы «Приоритет 2030» реализуют проекты в сфере новейшей медицины
Более 25% программ, представленных к защите на этапе отбора программы «Приоритет 2030», содержат базовые стратегические проекты, связанные с новейшей медициной, биомедициной или генетикой. Часть вузов, получивших грантовую поддержку на развитие, уже приступили к реализации заявленных программ.
Лаборатория «умного» сна
В Саратовском национальном исследовательском государственном университете имени Н.Г. Чернышевского (СГУ) в лаборатории «умного» сна изучают фундаментальные механизмы сна для развития технологий нейрореабилитационной медицины. Эти исследования легли в основу стратегического проекта «Технологии персонализированной медицины» десятилетней программы развития вуза в рамках «Приоритета 2030». Проект предполагает практическое применение лабораторных разработок.
Сейчас исследователи готовят к клиническим испытаниям опытные образцы особой шапочки для новорожденных. Уникальная разработка саратовских ученых поможет младенцам эффективно восстанавливаться от полученных во время родов микрокровоизлияний в ткани мозга. Шапочка стимулирует во время сна работу церебральных лимфососудов, по которым выводятся продукты распада крови.
«Наши разработки ― пионерские. В масштабах мира мы первые, кто обнаружил «сосуды-невидимки» в тканях мозга и научился их стимулировать во время сна. СГУ первым заявил об этом на мировой арене», ― подчеркивает заведующая кафедрой физиологии человека и животных биологического факультета СГУ Оксана Семячкина-Глушковская.
Для развития этого направления в вузе запущена новая образовательная магистерская программа, разрабатываются две программы повышения квалификации. Команда лаборатории насчитывает 50 человек, половина из них ― молодые ученые, каждый четвертый исследователь ― доктор наук.
Проводить операции и принимать роды научат роботы
Псковский государственный университет (ПсковГУ) по программе «Приоритет 2030» начал комплектацию учебных лабораторий новым оборудованием. В декабре оснащение вуза пополнится симулятором родов SIMone. По словам директора Института медицины и экспериментальной биологии Нины Бугеро, таким лабораториям и анатомическому залу могут позавидовать многие вузы.
«Для специальности «Лечебное дело» вуз открывает анатомический зал. Именно здесь в начале 2022 года учащимся будет доступна интерактивная система для отработки практических медицинских навыков ― «ТьюторМЭН». Принцип ее работы таков: студент выбирает упражнение и действует согласно видеоинструкции ― располагает на рабочей поверхности инструменты и принадлежности и пошагово повторяет все этапы манипуляций. Таким образом он отрабатывает до автоматизма сложные медицинские процедуры. «ТьюторМЭН» поможет и в проведении экзаменов: у прибора есть видеорегистрация и листы экспертного контроля каждого методического навыка», ― рассказывает Нина Бугеро.
Сейчас на медицинском факультете Института медицины и экспериментальной биологии ПсковГУ обучается более 500 будущих врачей-лечебников, а за счет гранта федеральной программы «Приоритет 2030» набор будущих врачей уже в следующем году увеличится в три раза. Часть занятий будет полностью проводиться на английском языке, что положительно скажется на наборе иностранных студентов.
Клуб «Да Винчи» и искусственный интеллект
Для Дальневосточного федерального университета (ДВФУ) в рамках «Приоритета 2030» одним из основных направлений также стало развитие медицинского кластера, а именно создание Центра разработки и трансфера здоровьесберегающих технологий, средств и технологий персонализированной медицины и биологической безопасности.
«Это геномные технологии, биотехнологии и биомедицина, фармация и открытие лекарств, современные образовательные технологии с развитием и расширением деятельности научно-практического клуба оперативной хирургии «Да Винчи», разработка и создание симуляционных моделей с высокой валидностью, изучение и производство медицинских материалов, протезов, имплантов, отвечающих современным требованиям», ― сообщил директор Школы медицины ДВФУ Кирилл Стегний.
В образовательном процессе, среди прочего, применяется искусственный интеллект (ИИ). Университет ждет серия научных исследований в части разработки гибридных технологий поддержки принятия врачебных решений по широкому спектру заболеваний и на различных этапах оказания медицинской помощи, которые функционируют на основе методов ИИ и уже получили одобрение врачей. Эти и другие проекты позволят создавать научные коллективы, добиваться поставленных целей, создавать рабочие места и остановить отток высококвалифицированных научно-педагогических кадров с Дальнего Востока.
Сон лечит: передовые разработки саратовской «Лаборатории умного сна»
Всемирный день сна ежегодно проводится в пятницу перед днем весеннего равноденствия. В 2021 году это событие выпадает на 19 марта, а его девиз – «Регулярный сон – здоровое будущее». Об уникальных разработках в этой области рассказали специалисты «Лаборатории умного сна», созданной на базе Саратовского национального исследовательского Государственного университета имени Чернышевского в рамках выполнения мега-гранта Министерства науки и высшего образования РФ.
Команда «Лаборатории умного сна» занимается анализом механизмов сна и изучением его восстановительных свойств, используя и развивая прорывные смарт-технологии. По ряду направлений научно-практической работы уже достигнуты значительные успехи.
Умная шапочка для новорожденных
Специалисты лаборатории разработали устройство, которое позволяет стимулировать очистительные функции сосудов головного мозга и помогает снизить риск развития серьезных нарушений. Дело в том, что во время родов младенец может получить повреждения в виде, например, сосудистых гематом, то есть скопления крови при закрытых и открытых повреждениях сосудов. В будущем это может стать причиной проблем с речью, анализом, удержанием внимания. Важно своевременно удалить скопившуюся кровь.
Ученые создали технологию лазерной стимуляции выведения крови из мозга во время глубокого сна. Уже в этом году планируется внедрение этого метода в практику реабилитации новорожденных. Для этого разрабатывается портативное оборудование в виде шапочки и программное обеспечение для него. Стимулирующий сигнал будет подаваться через световоды. В настоящее время специалисты лаборатории совместно с неврологами и неонатологами Саратовского медицинского университета имени Разумовского готовят проведение клинических испытаний.
«Технология ночной стимуляции очищения тканей мозга не имеет аналогов в мире, – рассказывает доктор биологических наук, заведующая кафедрой физиологии человека и животных Саратовского национального исследовательского Государственного университета имени Чернышевского Оксана Семячкина-Глушковская. – Сейчас исследования нацелены на стимуляцию ночного выведения крови из тканей мозга новорожденных, а также токсичного белка бета-амилоида у пациентов с Альцгеймером. Однако, применение смарт-технологии гораздо шире и уже сейчас разработаны новые проекты. Они касаются стимуляции ночного очищения тканей мозга от белка синуклеина для лечения болезни Паркинсона, а также выведения жидкости из тканей мозга при гидроцефалии. Отмечу, что для всех указанных патологий не существует эффективного лечения и разрабатываемые нами технологии являются «золотыми ключиками», открывающими двери в мир принципиально новых подходов к терапии болезней мозга во время сна».
Сон на защите барьерных функций
Еще одна технология «Лаборатории умного сна» предполагает применение анализа сна для диагностики состояния физиологического барьера между кровеносной системой и центральной нервной системой (ГЭБ, гематоэнцефалиический барьер). Данный физиологический механизм защищает мозг от проникновения в его ткани токсинов и микробов. Выяснилось, что сон – это маркер состояния барьера ГЭБ.
Специалисты лаборатории впервые продемонстрировали, что такой анализ можно сделать на основе электроэнцефалограммы (ЭЭГ – графическое изображение сложного колебательного электрического процесса). По мнению ученых данная технология отлично подойдет для экспресс-диагностики и раннего выявления нарушений барьерной функции мозга у пациентов с серьезными заболеваниями.
Кроме этого, объединением ведутся интенсивные работы по созданию 3D интерактивного атласа с цифровыми технологиями визуализации анатомии и функций лимфатической системы мозга.
Настоящее и будущее «умного сна»
Сегодня исследования научного объединения «Лаборатория умного сна» находятся на стадии проверки экспериментальных данных на достоверность, правильность и точность. После этого начнется подготовка к коммерциализации и выводу технологий на медицинский рынок.
«Наша группа ученых заложила научные основы изучения функций лимфатических сосудов-невидимок. Если в рамках первого мега-гранта мы занимаемся методом управления ночными процессам активации этих сосудов, то следующим шагом будет превращение технологий в портативные смарт-дивайсы, которые будут полезны, в том числе, при психических расстройствах», – объясняет Оксана Семячкина-Глушковская.
После завершения работы в рамках текущего гранта Министерства науки и высшего образования РФ, планируется получение новой субсидии для развития нейрокомпьютеров и цифровых технологий управления восстановительными свойствами лимфатической системы мозга.
Ученые уверены, что результаты их открытий способны кардинально изменить научные представления о работе мозга и его очищении во время сна. Такая научная работа стимулирует появление новых образовательных программ. В частности, создана новая магистратура «Современные технологии визуализации живых объектов», где один из онлайн курсов называется «Лимфа-сон: прорывные открытия в нейробиологии». Эта инициатива поддержана благотворительным фондом Владимира Потанина.
«Появление новых портативных смарт-технологий ночного управления восстановительными свойствами мозга поменяют нашу культуру, – считает Оксана Семячкина-Глушковская. – Помимо телефонов в обиход войдут гаджеты для управления регенеративными процессами мозга, способствующие восстановлению после стресса, тяжелого дня, переживаний. Такие технологии будут широко востребованы и быстро станут «друзьями» человека за счет эффективности и доступности».