Методы транскраниальной стимуляции головного мозга разрабатываются уже более 100 лет. При этом происходит постоянное расширение параметров применяемых электрических сигналов. До 70-х годов прошлого столетия в основном применялось электрическое воздействие оглушающего характера: электронаркоз, электросон, электрошоковая терапия.

Предложенный Н.П.Бехтеревой способ микрополяризации (в дальнейшем tDCS) положил начало серии методик транскраниальной стимуляции, отличающихся формой и частотой электрического воздействия. При этом неизменным остается принцип слабого воздействия, такого, который не вызывает эффектов от органов чувств. Для транскраниальной стимуляции стало нормой ограничения в токе 2мА в среднем, и 5мА в амплитуде импульса.

Задачей разработки стало нахождение оптимальных параметров воздействия. Для целей теоретического поиска оптимальной формы была создана упрощенная модель электрической цепи при транскраниальной стимуляции. В нее вошли следующие элементы: электрод, кожа, костная ткань, твердые мозговые оболочки, серое вещество, белое вещество, желудочки мозга. В модели использованы более 200 ячеек соединенных с соседними ячейками. Для моделирования применялся программный пакет TINA V12 компании DesignSoft.

Через условную цепь"лоб" - "затылок" модели пропускался ток в формах наиболее известных методов транскраниальной стимуляции ( tPCS, tACS, tVNS, tRNS ). При этом анализировались форма и амплитуда сигналов на ячейках модели.

Наибольшее искажение формы сигнала ожидаемо зафиксировано в самой распространенной группе методов - tPCS ( ТЭС, мезодиэнцевальная модуляция, tVNS и т.д.). Все эти методы объединяет прямоугольная форма импульса, характеризуемая высокой скоростью нарастания и спада сигнала. Униполярные и биполярные сигналы импульсной формы получают одинаковый уровень искажений.

Искажение формы приводит к возникновению критических значений токов и напряжений в некоторых тканях. Так наибольшее напряжение формируется в коже, а наибольший ток в желудочках мозга. Именно этими искажениями можно объяснить побочные эффекты используемых сигналов.

В результате экспериментов на модели подобран электрический импульс оптимальной формы. Основой импульса является гармоническое колебание с экcпоненциальным затуханием. Такой импульс практически не искажается на моделях живой ткани. Форма сигнала оказалась очень похожей на единичный нервный импульс. Предложено название для группы методов использующих такую форму сигнала - транскраниальная нейроморфная стимуляция (tNMS).



Для проверки результатов создан электронный генератор способный формировать все известные формы сигналов транскраниальной стимуляции, включая постоянную составляющую. Выходной каскад полностью согласован для непосредственного подключения электродов. В целях безопасности применено батарейное питание и конструктивно обеспечивается ограничение тока в импульсе на уровне 5мА.

Первая версия генератора "ЗыбьБио" имела размеры 20х30х6мм, последняя версия полнофункционального генератора "Neuravin" занимает 2 кв.см. и питается от элемента 1,5В.



Проведены сравнительные эксперименты с импульсами известной формы и вновь разработанными, которые показали, что воздействие предложенными импульсами в широком диапазоне частот повторения (от 7Гц до 500Гц) при максимальном воздействии (5мА в амплитуде) не вызывает побочных эффектов в виде раздражения под электродами, оглушения и других.



Прибор был успешно применен в следующих случаях.

1. Ж, 35лет, Полная потеря обоняния в течение 7 месяцев (после Covid19). Проведен курс терапии 10 сеансов по 30 минут ежедневно. Частота повторения импульсов 60 - 100Гц. Появление факта восприятия запаха без класcификации - после первого сеанса. Частичное восстановление в течение 14 дней.

2. М, 37лет. Искаженное восприятие обоняния (более 3 месяцев). Улучшение корректности восприятия в в процессе курса 10 дней по 30 минут ежедневно. Частота повторения импульсов 60 - 90Гц. Восстановление полной классификации запахов в течение месяца.

3. Ж, 82года. Перелом шейки бедра 7 лет назад, неустойчивая походка, спонтанные падения. Иннервация ног не нарушена. Проведено 2 курса терапии с интервалом 1 месяц. Частоты повторения импульсов 11Гц и 60 - 90Гц. Спонтанные падения прекратились, исправилась форма стопы, походка стала устойчивей. Средство поддержки (трость) стала применяться крайне редко.



Разработанные схемные решения и программное обеспечение позволяют создавать приборы для широкого спектра применения от научных исследований (включая мелких животных) до приборов медицинского назначения, а также для людей, желающих познать возможности мозга или улучшить спортивные достижения.



1. Пойдашева А.Г., Бакулин И.С., Супонева Н.А., Трошина Е.А., Танашян М.М., Дедов И.И., Пирадов М.А. Новые Горизонты неинвазивной стимуляции мозга в клинической медицине. // Анналы клинической и экспериментальной неврологии, 2018; 12 (Специальный выпуск): с. 25–31.



2. А.С.Липатова,П.П.Поляков,А.Х.Каде,А.И.Трофименко,С.В.Кравченко Влияние транскраниальной электростимуляции на выносливость крыс с разной устойчивостью к стрессу. // Биомедицина, №1, 2018, с.84-91



3. С.В. Токарева Оценка эффективности транскраниальной электростимуляции в реабилитации пациентов, перенесших COVID-19 // Вестник новых медицинских технологий. Электронное издание – 2022 – N 3

Methods of transcranial brain stimulation have been developed for more than 100 years. At the same time there is a constant expansion of parameters of applied electrical signals. Before 70s of the last century mainly electrical influence of stun character was applied: electronarcosis, electrosleep, electroshock therapy.

The method of micropolarisation (hereinafter referred to as tDCS) suggested by N.P.Bekhtereva initiated a series of techniques of transcranial stimulation differing in the form and frequency of electrical influence. At the same time, the principle of weak influence remains unchanged, the one that does not cause effects on sensory organs. For transcranial stimulation it became the norm to limit the average current to 2 mA, and 5 mA in the amplitude of the pulse.

The task of development was to find optimal parameters of exposure. A simplified model of the electrical circuit during transcranial stimulation was created in order to find the optimal form theoretically. It included the following elements: electrode, skin, bone tissue, dura mater, gray matter, white matter, brain ventricles. More than 200 cells connected with neighboring cells were used in the model. The software package TINA V12 by DesignSoft was used for modeling.

Current in the forms of the most known transcranial stimulation methods ( tPCS, tACS, tVNS, tRNS ) was passed through the conditional circuit "forehead"-"occiput" of the model. The shape and amplitude of the signals on the model cells were analyzed.

The greatest waveform distortion is expectedly recorded in the most common group of methods - tPCS ( TES, meso-diencephalic modulation, tVNS, etc.). All these methods are united by a rectangular pulse shape, characterized by a high rate of signal rise and fall. Unipolar and bipolar pulse waveform signals receive the same level of distortion.

Distortion of the form leads to critical values of currents and voltages in some tissues. Thus the highest voltage is formed in the skin, and the highest current in the brain ventricles. These distortions that can explain the side effects of the used signals.

As a result of experiments on the model, an electric pulse of the optimal shape was selected. The basis of the pulse shape is a harmonic oscillation with an exponential decay. Such pulse is practically not distorted on living tissue models. The signal shape turned out to be very similar to a single nerve impulse. The name for the group of methods using such signal form was suggested - transcranial neuromorphic stimulation (tNMS).

To verify the results an electronic generator capable of forming all known forms of transcranial stimulation signals, including a constant component, was created. Output cascade is fully coordinated for direct connection of electrodes. For safety purposes, a battery supply is used and current limitation in a pulse at the level of 5 mA is structurally ensured.

The first version of the generator "Zybbio" had dimensions of 20x30x6 mm, the last version of full-featured generator "Neuravin" occupies an area of 2 sq.cm and is powered from a 1.5V cell.

Comparative experiments with pulses of known form and newly designed showed that exposure to the proposed pulses in a wide range of repetition frequencies (from 7Hz to 500Hz) at maximum exposure (5mA in amplitude) does not cause side effects in the form of irritation under the electrodes, stun and others.



The device has been successfully applied in the following cases:

1. Female, 35 years old, complete loss of smell (anosmia) within 7 months (after Covid19). Received 10 sessions of 30 minutes each day. The pulse repetition rate was 60 - 100Hz. Appearance of odor perception fact without any classification - after the first session. Partial recovery within 14 days.

2. Male, 37 years old. Distorted perception of smels (hyposmia) for more than 3 months. Improvement of correct perception during a course of stimulation, 10 days of 30 minutes daily. The pulse repetition rate is 60 - 90 Hz. Recovery of the complete classification of odors within a month.

3. Female, 82 years old. Hip fracture 7 years ago, unstable gait, spontaneous falls. The innervation of the legs is not disturbed. Two courses of therapy were conducted with an interval of 1 month. Pulse repetition rates are 11 Hz and 60 - 90 Hz. Spontaneous falls stopped, the shape of the foot was corrected, the gait became more stable. Support tool (walking stick) it began to be used extremely rarely.



The circuit designs and software developed make it possible to create devices for a wide range of applications, from scientific research (including on small animals) to medical devices, as well as for people wishing to learn the capabilities of the brain or improve athletic performance.



1. Poydasheva A.G., Bakulin I.S., Suponeva N.A., Troshina E.A., Tanashyan M.M., Dedov I.I., Piradov M.A. New Horizons of noninvasive brain stimulation in clinical medicine. // Annals of Clinical and Experimental Neurology, 2018; 12 (Special Issue): pp. 25-31.

2. A.S.Lipatova,P.P.Polyakov,A.H.Kade,A.I.Trofimenko,S.V.Kravchenko Effect of transcranial electrostimulation on endurance of rats with different resistance to stress. //Biomedicine, No.1, 2018, pp.84-91

3. S.V. Tokareva Evaluation of the effectiveness of transcranial electrostimulation in the rehabilitation of patients who underwent COVID-19 // Bulletin of new medical technologies. Electronic edition - 2022 - N 3