Медицинская Техника / Медицинская техника №3, 2026 / с. 12-14

Моделирование пороговой фотостимуляции седалищного нерва крысы при оптоэлектронной стимуляции органическим полупроводником

А.Н. Романова, А.Г. Марков, Д.В. Телышев

Аннотация

В настоящей работе с помощью компьютерного моделирования в средах COMSOL Multiphysics и NEURON исследуется эффективность органических фотоконденсаторов для беспроводной стимуляции седалищного нерва крысы. Разработана трехмерная конечно-элементная модель нерва, учитывающая анатомические особенности четырех основных пучков: большеберцового, малоберцового, икроножного и заднего кожного. Показано, что пороговые токи активации существенно варьируются в зависимости от расположения пучка относительно стимулирующего электрода – от 2,39 мкА для заднего кожного пучка до 16,36 мкА для большеберцового. Результаты позволяют обосновать безопасные и эффективные режимы работы органических имплантатов для периферической нейромодуляции.

Вернуться к содержанию

Сведения об авторах

Александра Николаевна Романова, инженер, научно-исследовательская лаборатория моделирования, проектирования и разработки систем вспомогательного кровообращения, институт биомедицинских систем, ФГАОУ ВО «Национальный исследовательский университет «Московский институт электронной техники», г. Москва, г. Зеленоград,

Александр Геннадьевич Марков, PhD, инженер, научно-исследовательская лаборатория биомедицинских нанотехнологий, институт биомедицинских систем, ФГАОУ ВО «Национальный исследовательский университет «Московский институт электронной техники», г. Москва, г. Зеленоград, доцент, институт бионических технологий и инжиниринга, ФГАОУ ВО «Первый Московский государственный медицинский университет им. И.М. Сеченова» Министерства здравоохранения Российской Федерации (Сеченовский Университет), г. Москва,

Дмитрий Викторович Телышев, д-р техн. наук, начальник, научно-исследовательская лаборатория моделирования, проектирования и разработки систем вспомогательного кровообращения, институт биомедицинских систем, ФГАОУ ВО «Национальный исследовательский университет «Московский институт электронной техники», г. Москва, г. Зеленоград, директор, институт бионических технологий и инжиниринга, ФГАОУ ВО «Первый Московский государственный медицинский университет им. И.М. Сеченова» Министерства здравоохранения Российской Федерации (Сеченовский Университет), г. Москва,

e-mail: romanova-bms@yandex.ru

Список литературы

1. Yegiyants S., Dayicioglu D., Kardashian G., Panthaki Z.J. Traumatic peripheral nerve injury // Journal of Craniofacial Surgery. 2010. Vol. 21. № 4. PP. 998-1001.

2. Kaskutas V., Chung C.-H. Activity limitations and participation restrictions in people with upper extremity peripheral nerve disorders: Relationships with quality of life // Journal of Hand Therapy. 2012. Vol. 25. № 4. Art. № e14.

3. Ciaramitaro P., Mondelli M., Logullo F. et al. Traumatic peripheral nerve injuries: Epidemiological findings, neuropathic pain and quality of life in 158 patients // Journal of the Peripheral Nervous System. 2010. Vol. 15. № 2. PP. 120-127.

4. Cogan S.F. Neural stimulation and recording electrodes // Annual Review of Biomedical Engineering. 2008. Vol. 10. PP. 275-309.

5. Merrill D.R., Bikson M., Jefferys J.G.R. Electrical stimulation of excitable tissue: Design of efficacious and safe protocols // Journal of Neuroscience Methods. 2005. Vol. 141. № 2. PP. 171-198.

6. Scanziani M., Hдusser M. Electrophysiology in the age of light // Nature. 2009. Vol. 461. № 7266. PP. 930-939.

7. Ferro M.D., Melosh N.A. Electronic and ionic materials for neurointerfaces // Advanced Functional Materials. 2018. Vol. 28. № 12. Art. № 1704335.

8. Jiang Y., Tian B. Inorganic semiconductor biointerfaces // Nature Reviews Materials. 2018. Vol. 3. № 12. PP. 473-490.

9. Paulsen B.D., Tybrandt K., Stavrinidou E., Rivnay J. Organic mixed ionic-electronic conductors // Nature Materials. 2020. Vol. 19. № 1. PP. 13-26.

10. Jakeрovб M., Silverе Ejneby M., Derek V. et al. Optoelectronic control of single cells using organic photocapacitors // Science Advances. 2019. Vol. 5. № 4. Art. № eaav5265.

11. Rand D., Jakeрovб M., Lubin G. et al. Direct electrical neurostimulation with organic pigment photocapacitors // Advanced Materials. 2018. Vol. 30. № 17. Art. № 1707292.

12. Markov A., Gerasimenko A., Boromangnaeva A.K. et al. Multilayered organic semiconductors for high performance optoelectronic stimulation of cells // Nano Research. 2023. Vol. 16. PP. 5809-5816.

13. Silverе-Ejneby M., Jakeрovб M., Ferrero J.J. et al. A chronic photocapacitor implant for noninvasive neurostimulation with deep red light / BioRxiv. 2020.

14. Sauter A.R., Dodgson M.S., Kalvшy H. et al. Current threshold for nerve stimulation depends on electrical impedance of the tissue: A study of ultrasound-guided electrical nerve stimulation of the median nerve // Anesthesia & Analgesia. 2009. Vol. 108. № 4. PP. 1338-1343.

15. McIntyre C.C., Grill W.M. Extracellular stimulation of central neurons: Influence of stimulus waveform and frequency on neuronal output // Journal of Neurophysiology. 2002. Vol. 88. № 4. PP. 1592-604.

16. Badia J., Pascual-Font A., Vivo M. et al. Topographical distribution of motor fascicles in the sciatic-tibial nerve of the rat // Muscle Nerve. Vol. 42. № 2. PP. 192-201.

17. Schneider C.A., Rasband W.S., Eliceiri K.W. NIH Image to ImageJ: 25 years of image analysis // Nature Methods. 2012. Vol. 9. № 7. PP. 671-675.

18. Choi A.Q., Cavanaugh J.K., Durand D.M. Selectivity of multiple- contact nerve cuff electrodes: A simulation analysis // IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 2001. Vol. 48. № 2. PP. 165-172.

19. Carnevale N.T., Hines M.L. The NEURON Book. – Cambridge: Cambridge University Press, 2006. 480 p.

20. Xie Y., Qin P., Guo T. et al. Modulating individual axons and axonal populations in the peripheral nerve using transverse intrafascicular multichannel electrodes // Journal of Neural Engineering. 2023. Vol. 20. № 4. Art. № 046032.

21. Reilly J.P. Survey of numerical electrostimulation models // Physics in Medicine and Biology. 2016. Vol. 61. № 12. PP. 4346-4363.