Кортикальный имплантат — это подвид нейропротезирования , который напрямую связан с корой головного мозга . Благодаря прямому взаимодействию с различными областями коры, кортикальный имплантат может обеспечивать стимуляцию непосредственной области и предоставлять различные преимущества в зависимости от его конструкции и размещения. Типичный кортикальный имплантат — это имплантируемая микроэлектродная решетка , которая представляет собой небольшое устройство, через которое может приниматься или передаваться нейронный сигнал.
Целью кортикального имплантата и нейропротезирования в целом является «замена нейронных цепей в мозге, которые больше не функционируют должным образом» [1] .
Кортикальные имплантаты имеют широкий спектр потенциальных применений, начиная от восстановления зрения слепым пациентам или помощи пациентам с деменцией . Учитывая сложность мозга, возможности для этих мозговых имплантатов расширить свою полезность практически безграничны. Некоторые ранние работы с кортикальными имплантатами включали стимуляцию зрительной коры с использованием имплантатов из силиконовой резины. [2] С тех пор имплантаты превратились в более сложные устройства с использованием новых полимеров, таких как полиимид . Существует два способа, которыми кортикальные имплантаты могут взаимодействовать с мозгом: либо интракортикально (прямо), либо эпикортикально (косвенно). [3] Интракортикальные имплантаты имеют электроды, которые проникают в мозг, в то время как эпикортикальные имплантаты имеют электроды, которые стимулируют вдоль поверхности. Эпикортикальные имплантаты в основном регистрируют полевые потенциалы вокруг себя и, как правило, более гибкие по сравнению с их интракортикальными аналогами. Поскольку интракортикальные имплантаты проникают глубже в мозг, им требуется более жесткий электрод. [2] Однако из-за микродвижений в мозге необходима некоторая гибкость, чтобы предотвратить повреждение мозговой ткани.
Некоторые типы кортикальных имплантатов могут частично восстанавливать зрение, напрямую стимулируя зрительную кору . [4] Ранняя работа по восстановлению зрения посредством кортикальной стимуляции началась в 1970 году с работы Бриндли и Добелля. С их первоначальными экспериментами некоторые пациенты могли распознавать небольшие изображения на довольно близких расстояниях. Их первоначальный имплантат был основан на поверхности зрительной коры и не обеспечивал столь же четких изображений, как мог бы, с дополнительным недостатком в виде повреждения окружающих тканей. Более поздние модели, такие как электродная решетка «Юта», используют более глубокую кортикальную стимуляцию, которая гипотетически могла бы обеспечить изображения с более высоким разрешением при меньшей необходимой мощности, тем самым вызывая меньший ущерб. Одним из основных преимуществ этого метода искусственного зрения по сравнению с любым другим визуальным протезированием является то, что он обходит многие нейроны зрительного пути, которые могут быть повреждены, потенциально восстанавливая зрение большему числу слепых пациентов. [4]
Однако есть некоторые проблемы, которые возникают при прямой стимуляции зрительной коры. Как и в случае со всеми имплантатами, необходимо контролировать влияние их присутствия в течение длительных периодов времени. Если имплантат необходимо удалить или переместить через несколько лет, могут возникнуть осложнения. Зрительная кора намного сложнее и труднее в обращении, чем другие области, где возможно искусственное зрение, такие как сетчатка или зрительный нерв . Поле зрения гораздо легче обрабатывать в разных местах, кроме зрительной коры. Кроме того, каждая область коры специализируется на работе с различными аспектами зрения, поэтому простая прямая стимуляция не обеспечит полных изображений для пациентов. Наконец, хирургические операции, связанные с мозговыми имплантатами, чрезвычайно рискованны для пациентов, поэтому необходимо дальнейшее совершенствование исследований. Однако кортикальные зрительные протезы важны для людей с полностью поврежденной сетчаткой, зрительным нервом или латеральным коленчатым телом, поскольку это один из немногих способов, с помощью которых они смогут восстановить свое зрение, поэтому необходимо будет искать дальнейшие разработки. [4]
Достижения в области визуальных имплантатов сосредоточены на стимуляции определенных областей зрительной коры . Средняя височная область (MT), имеющая решающее значение для восприятия движения, является ключевой целью для электрической стимуляции для искусственного создания плавного движения. Точная имплантация электрода в MT представляет собой проблему из-за ее расположения, которое окружено бороздами. Текущие исследования изучают многозонную стимуляцию между MT и первичной зрительной корой (V1), стремясь понять ее влияние на генерацию фосфенов (зрительная иллюзия) и восприятие движения. Этот многозонный подход, нацеленный на различные области зрительной системы, обещает улучшить четкость и производительность визуальных имплантатов, предлагая потенциальный путь для более эффективного восстановления зрения. [5]
Хотя разработка эффективного слухового протеза, напрямую взаимодействующего со слуховой корой , пока не получила широкого распространения , существуют некоторые устройства, такие как кохлеарный имплант и слуховой стволомозговой имплант , представленные доктором Уильямом Хаусом и его командой, которые успешно восстанавливают слух у глухих пациентов. [6] Кохлеарный имплант воздействует на улитковый или слуховой нерв, и люди, у которых есть проблемы с этим нервом, никогда не смогут извлечь из него пользу. В качестве альтернативы можно использовать слуховой стволомозговой протез. [7]
Также были проведены некоторые исследования, в которых использовались микроэлектродные массивы для снятия показаний со слуховой коры животных. Одно исследование было проведено на крысах с целью разработки имплантата, который позволял одновременно снимать показания как со слуховой коры, так и со таламуса . Показания с этого нового микроэлектродного массива были аналогичны по четкости другим легкодоступным устройствам, которые не обеспечивали такие же одновременные показания. [8] Благодаря таким исследованиям могут быть достигнуты успехи, которые могут привести к созданию новых слуховых протезов.
Для решения проблем, с которыми сталкиваются обычные слуховые протезы, многие нетрадиционные слуховые протезы, такие как имплантаты костной проводимости и имплантаты среднего уха, все еще находятся на стадии продолжающихся исследований. Протез костной проводимости стимулирует улитку, вызывая вибрации черепа. Протез среднего уха, имплантированный частично или полностью, вызывает прямую вибрацию цепи слуховых косточек (косточек или ушных косточек). Несмотря на осложнения, которые могут вызывать эти протезы, их цель — улучшить передачу звуковых колебаний во внутреннее ухо и, следовательно, улучшить слуховые способности. [9]
Некоторые кортикальные имплантаты были разработаны для улучшения когнитивных функций. Эти имплантаты помещаются в префронтальную кору или гиппокамп . Имплантаты в префронтальной коре помогают восстановить внимание, принятие решений и выбор движения, дублируя миниколончатую организацию нейронных импульсов. [10] Гиппокампальный протез направлен на восстановление полных возможностей долговременной памяти пациента . Исследователи пытаются определить нейронную основу памяти, выясняя, как мозг кодирует различные воспоминания в гиппокампе.
Подражая естественному кодированию мозга с помощью электрической стимуляции, исследователи стремятся заменить скомпрометированные области гиппокампа и восстановить функцию. [11] Лечение нескольких состояний, которые влияют на познавательные способности, таких как инсульт , болезнь Альцгеймера и черепно-мозговая травма, может выиграть от разработки протеза гиппокампа. Эпилепсия также связана с дисфункцией в области CA3 гиппокампа. [12]
Интерфейс мозг -компьютер (BCI) — это тип имплантата, который обеспечивает прямую связь между мозгом пациента и некоторой формой внешнего оборудования. С середины 1990-х годов количество исследований, проведенных в области BCI как на животных, так и на людях, возросло в геометрической прогрессии. Большинство интерфейсов мозг-компьютер используются для некоторой формы извлечения нейронных сигналов, в то время как некоторые пытаются вернуть ощущения через имплантированный сигнал. [3] В качестве примера извлечения сигнала BCI может принимать сигнал из мозга пациента с параплегией и использовать его для перемещения роботизированного протеза . Парализованные пациенты получают большую пользу от этих устройств, поскольку они позволяют вернуть контроль пациенту. Текущие исследования интерфейсов мозг-компьютер сосредоточены на определении того, какими областями мозга может манипулировать человек. Большинство исследований сосредоточены на сенсомоторной области мозга, используя воображаемые двигательные действия для управления устройствами, в то время как некоторые исследования пытались определить, будет ли когнитивная контрольная сеть подходящим местом для имплантации. Эта область представляет собой «нейронную сеть, которая координирует ментальные процессы в целях выполнения явных намерений или задач», управляя устройством намерением, а не воображаемым движением [13] Примером возврата ощущения через имплантированный сигнал может быть развитие тактильного ответа для протезной конечности. У ампутантов нет тактильного ответа в искусственных конечностях, но с помощью имплантата в их соматосенсорной коре они могли бы потенциально получить искусственное чувство прикосновения.
Текущим примером интерфейса мозг-компьютер может быть BrainGate , устройство, разработанное Cyberkinetics . Этот BCI в настоящее время проходит второй раунд клинических испытаний по состоянию на май 2009 года. Более раннее испытание включало пациента с тяжелой травмой спинного мозга , не контролирующего ни одну из своих конечностей. Ему удалось управлять компьютерной мышью только с помощью мыслей. Были сделаны дальнейшие разработки, которые позволяют осуществлять более сложные интерфейсы, такие как управление роботизированной рукой.
Применение BCI развивалось на протяжении многих лет, особенно в решении проблем, связанных с нейродегенеративными заболеваниями, такими как боковой амиотрофический склероз (БАС), болезнь Паркинсона (БП), болезнь Альцгеймера (БА) и спинальная мышечная атрофия (СМА). [14]
При AD, прогрессирующем фатальном нейродегенеративном расстройстве, BCI сталкиваются с трудностями из-за снижения когнитивных способностей. Некоторые новаторские исследования использовали технику, называемую «классическое обусловливание с функциональной магнитно-резонансной томографией (фМРТ) и BCI». Основная идея заключалась в формировании связи между определенными намеренными умственными действиями или мыслями и эмоциональными реакциями или стимулами. Несмотря на ограничения, этот новый подход, по-видимому, имеет потенциал для нейрореабилитации AD. [14]
BCI также играют роль в улучшении двигательной функции, переводя нейронные импульсы в двигательные команды при PD, которая характеризуется двигательными нарушениями. Исследования с использованием локальных полевых потенциалов от электродов глубокой стимуляции мозга (DBS) показали улучшение двигательных функций. Нейрофидбэк через BCI, основанный на электроэнцефалографии (ЭЭГ) или фМРТ, был исследован для регулирования активности мозга. BCI с обратной связью ЭЭГ в первую очередь нацелены на специфическое обнаружение преднамеренных движений с целью снижения неврологического тремора при сочетании с такими технологиями, как функциональная электрическая стимуляция (FES). [14]
Более того, BCI предлагают потенциальные улучшения в мышечном контроле у пациентов со СМА, страдающих нейродегенерацией в переднем роге спинного мозга, что приводит к прогрессирующей мышечной слабости. Некоторые исследования с пациентами со СМА изучали интеграцию BCI в системы управления для включения удаленных устройств, таких как телевизоры и телефоны. Другие исследования были сосредоточены на предоставлении людям со СМА возможности манипулировать роботизированной рукой с помощью поверхностной электромиографии (sEMG). [14]
Возможно, одно из самых больших преимуществ кортикальных имплантатов перед другими нейропротезами заключается в том, что они напрямую взаимодействуют с корой. Обход поврежденных тканей в зрительном пути позволяет расширить круг пациентов, поддающихся лечению. Эти имплантаты также могут выступать в качестве замены поврежденных тканей в коре. Идея биомимикрии позволяет имплантату выступать в качестве альтернативного пути для сигналов.
Наличие любого вида имплантата, который напрямую связан с корой, представляет некоторые проблемы. Основной проблемой с корковыми имплантатами является биосовместимость , или то, как организм будет реагировать на инородный объект. Если организм отторгает имплантат, то имплантат принесет пациенту больше вреда, чем пользы. В дополнение к биосовместимости, после того, как имплантат установлен, организм может иметь неблагоприятную реакцию на него в течение длительного периода времени, делая имплантат бесполезным. [15] Имплантация микроэлектродной решетки может привести к повреждению окружающих тканей. Развитие рубцовой ткани вокруг электродов может помешать некоторым сигналам достичь нейронов, для которых предназначен имплантат. Большинство микроэлектродных решеток требуют, чтобы тела нейронных клеток находились в пределах 50 мкм от электродов, чтобы обеспечить наилучшую функцию, и исследования показали, что у хронически имплантированных животных значительно снизилась плотность клеток в этом диапазоне. [15] Было показано, что имплантаты также вызывают нейродегенерацию в месте имплантации.
Нейронное кодирование представляет собой трудность, с которой сталкиваются кортикальные имплантаты, и в частности имплантаты, связанные с познанием. Исследователи обнаружили трудности в определении того, как мозг кодирует отдельные воспоминания. Например, способ, которым мозг кодирует память о стуле, сильно отличается от способа, которым он кодирует память о лампе. При полном понимании нейронного кода можно добиться большего прогресса в разработке протеза гиппокампа, который может более эффективно улучшать память.
Из-за уникальности коры каждого пациента сложно стандартизировать процедуры, включающие прямую имплантацию. [4] Существует много общих физических характеристик между мозгом, но индивидуальная извилина или борозда (нейроанатомия) могут отличаться при сравнении. Это приводит к трудностям, поскольку делает каждую процедуру уникальной, что требует больше времени для выполнения. Кроме того, природа предполагаемого эффекта массива микроэлектродов ограничена из-за заявленных отклонений, представленных в связи с уникальностью индивидуальной коры, т.е. различиями. Современные массивы микроэлектродов также ограничены из-за их физического размера и достижимых скоростей обработки данных/возможностей; которые продолжают регулироваться в зависимости от характеристик, диктуемых в соответствии с законом Мура .
По мере проведения дополнительных исследований будут сделаны дальнейшие разработки, которые повысят жизнеспособность и удобство использования кортикальных имплантатов. Уменьшение размера имплантатов поможет сделать процедуры менее сложными и уменьшить объем. Долговечность этих устройств также рассматривается по мере разработки. Цель разработки новых имплантатов — «избежать гидролитической, окислительной и ферментативной деградации из-за суровой среды человеческого тела или, по крайней мере, замедлить ее до минимума, что позволит интерфейсу работать в течение длительного периода времени, прежде чем его, наконец, придется заменить». [2] При увеличении срока эксплуатации потребуется выполнять меньше операций для обслуживания, что позволит Количество полимеров, которые теперь можно использовать для нейронных имплантатов, увеличилось, что позволяет создавать большее разнообразие устройств. По мере совершенствования технологий исследователи могут более плотно размещать электроды в матрицах, что обеспечивает высокую селективность. [2] Другие области исследований — это аккумуляторные батареи, которые питают эти устройства. Были предприняты попытки уменьшить общий размер и громоздкость этих пакетов, чтобы сделать их менее навязчивыми для пациента. Уменьшение количества энергии, требуемой для каждого имплантата, также представляет интерес, поскольку это уменьшит количество тепла, выделяемого имплантатом, тем самым снижая риск повреждения окружающих тканей.