Stymulator serca oparty na neuronach
U zdrowego człowieka częstość akcji serca ulega wahaniom na przestrzeni cyklu oddechowego, powodując, że serce bije nieco szybciej w trakcie wdechu niż w fazie wydechu. Ta modulacja częstotliwości bicia serca przez oddychanie określana jest niemiarowością zatokową oddechową, a jej osłabienie jest wczesnym zwiastunem przewlekłych chorób serca, takich jak przewlekła niemiarowość czy niewydolność serca. Założono, że przywrócenie fizjologicznej zmienności rytmu serca może stanowić skuteczny sposób na leczenie chorób, z którymi nie radzą sobie istniejące terapie. Dlatego urządzenie, które reaguje na fizjologiczne informacje zwrotne w sposób podobny do neuronów oddechowych, mogłoby potencjalnie stanowić wartościową opcję leczenia przewlekłej choroby serca.
Stymulator, który odtwarza naturalny rytm bicia serca
W ramach finansowanego ze środków UE projektu CResPace opracowano nowy stymulator serca, który dokonuje tego poprzez ponowne zsynchronizowanie komór serca, jednocześnie przywracając adaptację częstości akcji serca i opóźnień komorowych do fizjologicznych informacji zwrotnych opartych na równym odstępie kolejnych załamków R. Stymulator CResPace różni się pod względem sposobu działania od konwencjonalnego stymulatora serca, którego działanie polega na stymulacji elektrycznej mięśnia sercowego w stałym tempie w celu utrzymania regularnego rytmu serca. Technologia ta odwzorowuje działanie obwodów neuronowych zlokalizowanych u podstawy mózgu, znanych jako centralne generatory wzorców, które kontrolują oddychanie i rytm serca. „Nasz stymulator ponownie synchronizuje skurcz komór serca w odpowiedzi na zmiany we wzorcu oddechowym, stężenia tlenu i dwutlenku węgla w krwi tętniczej i jej ciśnienia, aby odwrócić bieg przewlekłej choroby serca”, wyjaśnia koordynator projektu Alain Nogaret. W tym celu zespół zaprojektował czujniki stężenia gazów w tętnicach i czujniki ciśnienia krwi, które w czasie rzeczywistym przekazują te informacje do stymulatora. Zostały one zminiaturyzowane i oczekuje się, że znajdą zastosowanie w szerszej gamie urządzeń bioelektronicznych do monitorowania i adaptacji do fizjologicznych informacji zwrotnych.
Narzędzia obliczeniowe do okiełznania dynamiki neuronów
Dużym wyzwaniem utrudniającym zastosowanie elektroniki neuronalnej w urządzeniach bioelektronicznych było warunkowanie sztucznych obwodów neuronalnych w celu zapewnienia prawidłowej adaptacji do fizjologicznych informacji zwrotnych. W tym celu badacze opracowali złożone techniki obliczeniowe, które pozwalają w uzyskaniu optymalnych parametrów obwodów, aby odwzorować adaptację zdrowego serca. Poza prawidłową adaptacją obwody neuronalne mają unikalną zdolność do ponownego synchronizowania rytmów biologicznych dzięki nieliniowej odpowiedzi neuronów. Pozwala to zaoszczędzić choremu sercu energię, a w połączeniu z adaptacją może przynieść znaczną poprawę funkcji serca w modelach choroby. „Perspektywa zatrzymania progresji tych śmiertelnych chorób serca i ich wyleczenia jest głównym osiągnięciem projektu”, podkreśla Nogaret.
Walidacja stymulatora serca
Stymulator serca przeszedł walidację w środowisku operacyjnym poprzez przywrócenie funkcji serca i poddanie go modulacji oddechowej w modelach choroby. Kolejnym etapem rozwoju jest doprowadzenie technologii do stanu gotowości do użycia u ludzi i zgodności z oznakowaniem CE. Podstawy technologii można wykorzystać także do leczenia innych chorób w celu przywrócenia prawidłowej funkcji dotkniętych nimi narządów. Ponadto podejście przyjęte w ramach projektu CResPace zapewnia podstawy dla inżynierii neuromorficznej, ponieważ wiernie odtwarza rodzimą dynamikę neuronów na chipie.
Słowa kluczowe
CResPace, stymulator serca, obwody neuronalne, niemiarowość zatokowa oddechowa, centralne generatory wzorców