Исследование картирует сложные мышечные паттерны, лежащие в основе моргания и движения век.
Моргание кажется естественным и мгновенным, но так ли это? Без нормально функционирующего века глаз может стать сухим, раздражённым и в конечном итоге потерять способность ясно видеть.
Группа инженеров-биомехаников и офтальмологов из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе раскрыла новые подробности о мышце, управляющей морганием, что открывает путь к разработке протезов, помогающих моргать. Исследование, опубликованное в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences , показало, что круговая мышца глаза (orbicularis oculi) — мышца, управляющая движением века — сокращается по сложным схемам , которые варьируются в зависимости от нагрузки и двигает веко не только вверх-вниз.
Исследователи изучили, как эта мышца ведет себя по-разному при различных действиях, включая спонтанное моргание, быстрое защитное закрывание глаз и сильное зажмуривание.
«Движение века сложнее и контролируется нервной системой точнее , чем считалось ранее», — заявил соавтор исследования Тайлер Клитс, доцент кафедры машиностроения и аэрокосмической техники в Инженерной школе Самуэли Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. «Различные части мышцы активируются в точно рассчитанной последовательности в зависимости от того, что делает глаз. Такого уровня мышечного контроля никогда не наблюдалось у человеческого века. Теперь, когда у нас есть эта подробная информация, мы можем двигаться дальше в разработке нейропротезов, помогающих восстановить естественную функцию века».
В ходе экспериментов с добровольцами исследователи рассмотрели пять различных способов закрытия глаз:
Спонтанное моргание: автоматическое, бессознательное моргание, которое происходит регулярно, чтобы поддерживать увлажненность глаз.
Произвольное моргание: преднамеренное моргание, например, когда кого-то просят моргнуть по команде.
Рефлекторное моргание: быстрое непроизвольное моргание, вызванное необходимостью защитить глаз от столкновения.
Мягкое закрытие: мягкое, медленное опускание века, похожее на начало сна.
Принудительное закрытие: преднамеренное сжатие век до плотного смыкания.
Для высокоточной регистрации активности круговой мышцы глаза офтальмохирург ввёл в веко крошечные проволочные электроды. Затем исследователи использовали систему захвата движения для отслеживания движения века в сверхзамедлённом режиме. Эти инструменты позволили команде измерить мельчайшие различия в движении века, включая скорость, направление и то, какая часть мышцы инициировала движение.
«Люди могут потерять способность моргать из-за инсульта, опухоли, инфекции или травмы. Это состояние болезненно в краткосрочной перспективе и может повредить глаза настолько, что привести к потере зрения », — сказал соавтор исследования доктор Дэниел Рутман, доцент офтальмологии Медицинской школы Дэвида Геффена Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе и директор Центра заболеваний глазницы Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. «Мы знаем, что небольшой электрический импульс может стимулировать сокращение круговой мышцы глаза, но разработать эффективное устройство было непросто. Теперь у нас есть хорошая дорожная карта для такого устройства, включая точное расположение электродов, синхронизацию и необходимую силу импульса. Эти рекомендации могут помочь проложить путь к разработке и клиническим испытаниям такого устройства, конечной целью которого является обеспечение реального облегчения состояния пациентов».
Имея на руках эти фундаментальные знания о биомеханике век, исследователи теперь могут заняться усовершенствованием прототипа нейропротеза, который поможет людям моргать.
«Понимание того, как работает веко, критически важно для разработки точного шаблона стимуляции для протеза, а также для диагностических целей», — сказал первый автор исследования Джинён Ким, докторант факультета машиностроения Калифорнийского университета в Лос- Анджелесе и член исследовательской группы Клитса — Анатомической инженерной группы Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. «Мы очень рады возможности преодолеть этот пробел и продолжить работу с пациентами с параличом лицевого нерва, помогая им улучшить свою жизнь».