Журнал Современные проблемы науки и образования 2070-7428 Общество с ограниченной ответственностью "Издательский Дом "Академия Естествознания" 10.17513/spno.34622 ART-34622 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОРОГОВЫХ ЗНАЧЕНИЙ ПЛОТНОСТИ ЭНЕРГИИ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ДЛЯ БЕЗОПАСНОЙ ТЕРМОАКТИВАЦИИ НЕЙРОНОВ КОРЫ ГОЛОВНОГО МОЗГА Леонтьев Е.А. Leontev E.A. lea737@yandex.ru Елдырёва М.В. Eldyreva M.V. konkova-masha@mail.ru Горшкова С.П. Gorshkova S.P. sofiagor2805@gmail.com Романова А.В. Romanova A.V. romanovaanna.15@mail.ru Скуратов И.А. Skuratov I.A. Ilaskuratov51@gmail.com Сингх П.Р. Singkh P.R. prajjwalsingh099@gmail.com ФГБОУ ВО «Чувашский государственный университет имени И.Н. Ульянова» I.N. Ulyanov Chuvash State University ФГБОУ ВО «Чувашский государственный университет им. И.Н. Ульянова» I.N. Ulyanov Chuvash State University ФГБОУ ВО «Марийский государственный университет» Mari State University 28 05 2026 5 16 16 This is an open-access article distributed under the terms of the CC BY 4.0 license. https://science-education.ru/ru/article/view?id=34622

Перспективный метод нейромодуляции - фототермическая активация нейронов с использованием лазера и имплантированных пигментов. Ключевое ограничение для клиники - риск термического повреждения тканей на пути лазерного луча. Отсутствие количественных данных о проникновении лазерной энергии через покровы черепа не позволяет рассчитать безопасные режимы. Цель: определить пороговые значения плотности энергии лазерного излучения для оценки возможности достижения целевой температуры на глубине пигментного модуля в эпидуральном пространстве при сохранении безопасных границ воздействия. Эксперимент проведен на белых крысах Wistar с имплантированным пигментом. Животные разделены на две группы в зависимости от длины волны лазера. Плотность потока на разной глубине измеряли на гистологических срезах, затем рассчитывали плотность энергии на поверхности для достижения целевой температуры. Установлена зависимость задержки энергии роговым слоем от длины волны. Короткие волны имеют ограниченную глубину проникновения, что делает их непригодными для эпидуральной стимуляции коры. Для длинных волн энергия лучше сохраняется на глубине, но при интактном эпидермисе доставка энергии к пигменту физически ограничена и не превышает порога повреждения тканей. В эксперименте на крысах с интактным эпидермисом транскраниальная доставка лазерной энергии на глубину активации эпидурального пигмента физически ограничена. Необходимы методы преодоления оптического барьера покровных тканей.

Photothermal activation of neurons using laser radiation and implanted pigments is a promising neuromodulation method. A key clinical limitation is the risk of thermal damage along the laser beam path. Lack of quantitative data on laser energy penetration through the scalp prevents safe irradiation regimes. Aim: to determine threshold laser energy density values for assessing the possibility of achieving target temperature at the depth of an epidural pigment module while maintaining safe exposure limits. Experiment on white Wistar rats with implanted pigment. Animals were divided into two groups by laser wavelength. Light flux density at various depths was measured on histological sections, then surface energy density required for target temperature was calculated. Dependence of laser energy retention by the stratum corneum on wavelength was found. Shorter wavelengths have limited penetration depth, making them unsuitable for epidural cortical stimulation. Longer wavelengths show better energy preservation at depth, but with intact epidermis, energy delivery to the pigment is physically limited and does not exceed the tissue damage threshold. In rats with intact epidermis, transcranial delivery of laser energy to the depth required for activating epidural pigment is physically limited. Methods to overcome the optical barrier of integumentary tissues are needed.

 фототермическая нейромодуляция лазерная безопасность порог активации нейронов глубина проникновения лазера эпидуральная стимуляция биологические ткани photothermal neuromodulation laser safety neuronal activation threshold laser penetration depth epidural stimulation biological tissues

1. Carvalho-de-Souza J. L., Treger J. S., Dang B., Kent S. B. H., Pepperberg D. R., Bezanilla F. Photosensitivity of neurons enabled by cell-targeted gold nanoparticles // Neuron. 2015. Vol. 86. № 1. P. 207-217. DOI: 10.1016/j.neuron.2015.02.033.

2. Lin H., Li D., Zhu J., Liu S., Li J., Yu T., Tuchin V. V., Semyachkina-Glushkovskaya O., Zhu D. Transcranial photobiomodulation for brain diseases: review of animal and human studies including mechanisms and emerging trends // Neurophotonics. 2024. Vol. 11. № 1. P. 010601. DOI: 10.1117/1.NPh.11.1.010601.

3. Yona G., Meitav N., Kahn I., Shoham S. Realistic Numerical and Analytical Modeling of Light Scattering in Brain Tissue for Optogenetic Applications // eNeuro. 2016. Vol. 3. № 1. ENEURO.0059-15.2015. DOI: 10.1523/ENEURO.0059-15.2015.

4. Johnstone D. M., Moro C., Stone J., Benabid A. L., Mitrofanis J. Turning On Lights to Stop Neurodegeneration: The Potential of Near Infrared Light Therapy in Alzheimer's and Parkinson's Disease // Frontiers in Neuroscience. 2016 Vol. 9. P. 500. DOI: 10.3389/fnins.2015.00500.

5. Chen S., Weitemier A. Z., Zeng X., He L., Wang X., Tao Y., Huang A. J. Y., Hashimotodani Y., Kano M., Iwasaki H., Parajuli L. K., Okabe S., Teh D. B. L., All A. H., Tsutsui-Kimura I., Tanaka K. F., Liu X., McHugh T. J. Near-infrared deep brain stimulation via upconversion nanoparticle-mediated optogenetics // Science. 2018. Vol. 359. № 6376. P. 679-684. DOI: 10.1126/science.aaq1144.

6. Jacques S. L. Optical properties of biological tissues: a review // Physics in Medicine and Biology. 2013. Vol. 58. № 11. P. R37-R61. DOI: 10.1088/0031-9155/58/11/R37.

7. Gao J., Yu K., Luo Q., Deng M., Hou X., Wang W., Zeng X., Xiong X., He Y., Hong X., Xiao Y. Near-Infrared II Fluorescence Imaging and Image-Guided siRNA Therapy of Atherosclerosis // Journal of Medicinal Chemistry. 2024. Vol. 67. № 14. P. 12428-12438. DOI: 10.1021/acs.jmedchem.4c01208.

8. Ash C., Dubec M., Donne K., Bashford T. Effect of wavelength and beam width on penetration in light-tissue interaction using computational methods // Lasers in Medical Science. 2017. Vol. 32. № 8. P. 1909-1918. DOI: 10.1007/s10103-017-2317-4.

9. Tittelmeier J., Kaub L., Milz S., Kugelmann D., Hof P.R., Schmitz C., Nussbaum-Krammer C. Evaluation of near-infrared light therapy for the treatment of neurodegenerative diseases: Limited penetration depth into the brain likely hinders efficacy // bioRxiv. 2024. DOI: 10.1101/2024.11.18.624091.

10. Wang T., Yang J., Chen Z., Liu W. Optical properties of the skull in the near-infrared window: a systematic review // Journal of Biophotonics. 2020. Vol. 13. № 8. P. e202000032. DOI: 10.1002/jbio.202000032.

11. Sdobnov A. Y., Darvin M. E., Genina E. A., Bashkatov A. N., Lademann J., Tuchin V. V. Recent progress in tissue optical clearing for spectroscopic application // Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy. 2018. Vol. 197. P. 216-229. DOI: 10.1016/j.saa.2018.01.085.

12. Garrido-Peña A., Sanchez-Martin P., Reyes-Sanchez M., Levi R., Rodriguez F. B., Castilla J., Tornero J., Varona P. Modulation of neuronal dynamics by sustained and activity-dependent continuous-wave near-infrared laser stimulation // Neurophotonics. 2024. Vol. 11. № 2. P. 024308. DOI: 10.1117/1.NPh.11.2.024308.

13. Tsai S. R., Hamblin M. R. Biological effects and medical applications of infrared radiation // Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology. 2017. Vol. 170. P. 197-207. DOI: 10.1016/j.jphotobiol.2017.04.014.

14. Wang Y., Garg R., Cohen-Karni D. et al. Neural modulation with photothermally active nanomaterials // Nature Reviews Bioengineering. 2023. Vol. 1. P. 193-207. DOI: 10.1038/s44222-023-00022-y.

15. Kim D., Lee J. W., Kang S., Hong W., Lee J., Kwon H.-J., Jang J. E., Lee L. P., Kang H., Simultaneous Detection of Neural Activity and Temperature in Photothermal Neural Stimulation. Adv. Sci.2025. 12: 2411725. DOI: 10.1002/advs.202411725.2025.