Организм человека и всех живых существ имеет много важных и в то же время очень интересных систем, которые отвечают за разные процессы. И в этом смысле обоняние не исключение. Помимо того, что мы можем ощущать приятные или же наоборот опасные отдушки токсичных веществ, угарного газа и дыма, обонятельная система образована так, что способна самостоятельно очищать воздух от пыли, увлажнять его и нагревать. Еще интереснее связь обоняния с мозгом: при вдохе через нос воздух вместе с молекулами пахучего вещества (одорантом) проходит целый путь, прежде чем попасть в обонятельную область, имеющую вид щели, покрытой обонятельным эпителием. Именно там одоранты взаимодействуют со специальными рецепторами от которых информация передается к митральным/тафтовым (М/Т) нейронам обонятельной луковицы, которые выделяют, кодируют и передают первичную информацию об интенсивности, качестве и продолжительности запаха в вышележащий отделы обонятельной системы головного мозга. Так, например, пока человек держит в руке апельсин, запах фрукта (одорант) попадает в его обонятельную область и по характеру и выраженности реакции нейронов наш мозг распознает знакомый запах, после чего дает нам об этом определенный сигнал.

Интересно, что в естественных условиях сна реакция обонятельной системы снижается и даже сильный запах не способен разбудить человека. При этом в условиях наркоза запахи воспринимают лучше, чем во время бодрствования. По словам ученых ЮФУ, это объясняется тем, что характер и выраженность реакций М/Т нейронов зависит от различных факторов, прежде всего природы и концентрации одоранта, наркоза и функционального состояния обонятельной луковицы. Однако до сегодняшнего дня влияние динамики наркоза на интенсивность ответов не было комплексно изучено, поэтому специалисты НИТЦ «Нейротехнологий» ЮФУ провели эксперименты, в которых исследовали, как ведет себя обонятельная система крысы во время анестезии. По итогам работы было показано, что в динамике ксилазин-тилетамин-золазепамовой анестезии средняя частота фоновой и импульсной активности М/Т клеток повышается, тогда как модальное значение высокочастотной активности ОЛ, диагностируемой с помощью микроэлектродов, напротив, снижается, что связывается с динамикой функционального состояния ОЛ и систем обработки ольфакторной информации в наркозе.

Результаты исследования коллектива Научно-исследовательского технологического Центра нейротехнологий ЮФУ, проведенного в рамках реализации проекта «Интеллектуальные технологии управления и обработки информации в перспективных роботизированных комплексах и гибридных системах» программы «Приоритет 2030» (нацпроект «Наука и университеты»), опубликованы в журнале «IBRO Neuroscience Reportsthis link is disabled».

«Наши исследования проводятся с помощью экспериментального ольфакторного стенда, созданного в НИТЦ нейротехнологий. Животному в течение пяти секунд подаётся интересующий запах, одновременно с этим, с помощью микроэлектродов имплантированных в обонятельную луковицу крысы, регистрируется активность нейронов. Каждый из зарегистрированных нейронов может быть уникальным для интересующего вещества и на этом свойстве можно создать биосенсорную систему, детектирующую целевые вещества. Однако, животные в таких системах, часто находятся в анестезированном состоянии, что модулирует как функциональное состояние организма в целом, так и нейронов в частности. Именно для этого мы и изучили динамику ответной реакции нейронов обонятельной луковицы крыс в наркозе. Это приблизит нас к созданию устойчивых, высокочувствительных биогибридных систем», – рассказал кандидат биологических наук, главный научный сотрудник Научно-исследовательского технологического Центра нейротехнологий ЮФУ Петр Косенко.

В практической части специалисты разработали биогибридные обонятельные системы — то есть биогибридные технологии на основе микроэлектродов, способные считывать суммарную активность десятков нейронов. Благодаря пониманию активности обонятельной луковицы крыс и обработке информации с помощью искусственной нейросети на базе сервера Южного федерального университета ученые смогли выявлять и распознавать паттерны, характерные для онкозаболеваний, сахарного диабета и туберкулеза.

Результаты исследования уже были подтверждены на практике – апробация технологии биогибридного скрининга социально-значимых заболеваний проводилась в Новгородской области в декабре 2020 года. Так, в эксперименте был индивидуально обследован 1761 доброволец. В ходе дополнительного обследования с использованием классических методов диагностики ранние (I-II) стадии онкозаболеваний подтверждены более чем у 70 процентов пациентов, отнесенных к группе риска по результатам скрининга.

Биогибридная сенсорная технология скрининга социально значимых заболеваний разработана в рамках совместного проекта Фонда перспективных исследований, Южного федерального университета и Национального медицинского исследовательского центра онкологии (Ростов-на-Дону).

Однако на этом проект НИТЦ Нейротехнологий не заканчивается: специалисты планируют разработать управляемые биогибридные системы, которые будут работать на постоянной основе в режиме реального времени.

«Идеальным результатом для нас с практической точки зрения, было бы создание управляемых, высокочувствительных, помехоустойчивых и функционирующих 24/7 биогибридных устройств, способных детектировать интересующие заказчика пары веществ в воздухе или почве», — отметил Петр Косенко.

Одной из вариаций внедрения таких систем могут быть кинологические службы. Система будет работать в режиме круглосуточного отслеживания, а нейронная сеть будет обрабатывать информацию и давать сигнал о потенциально-опасных веществах, например, взрывчатых или наркотических.

По словам разработчиков, в России аналогов подобной системы на данный момент не существует. Биогибридные обонятельные системы универсальны и могут распознавать любой запах, лишь бы пахучее вещество проникало в обонятельную луковицу носителя.  Кроме того, их можно обучить под потребности каждого заказчика, исходя из того, какие вещества нужно распознать. Таким образом, они могут применяться в медицине, в сфере обеспечения безопасности государства, а также в экологии.

Автор текста: Юлия Сопрунова

8(863) 218-40-04 (10038)