stringtranslate.com

Нейропротезирование

Нейропротезирование (также называемое нейронным протезированием ) — дисциплина, связанная с нейронаукой и биомедицинской инженерией, занимающаяся разработкой нейронных протезов . Иногда их противопоставляют интерфейсу мозг-компьютер , который соединяет мозг с компьютером, а не устройству, предназначенному для замены отсутствующей биологической функциональности. [1]

Нейропротезы представляют собой ряд устройств, которые могут заменить двигательную, сенсорную или когнитивную модальность, которая могла быть повреждена в результате травмы или заболевания. Кохлеарные имплантаты являются примером таких устройств. Эти устройства заменяют функции, выполняемые барабанной перепонкой и стремечком , имитируя частотный анализ, выполняемый в улитке . Микрофон на внешнем устройстве собирает звук и обрабатывает его; затем обработанный сигнал передается на имплантированное устройство, которое стимулирует слуховой нерв через микроэлектродную решетку . [2] За счет замены или усиления поврежденных чувств эти устройства предназначены для улучшения качества жизни людей с ограниченными возможностями.

Эти имплантируемые устройства также широко используются в экспериментах на животных в качестве инструмента, помогающего нейробиологам в разработке более глубокого понимания мозга и его функционирования. Благодаря беспроводному мониторингу электрических сигналов мозга, посылаемых электродами, имплантированными в мозг субъекта, субъект может быть изучен без того, чтобы устройство влияло на результаты. Точное зондирование и запись электрических сигналов в мозге поможет лучше понять взаимосвязь между локальной популяцией нейронов, которые отвечают за определенную функцию. [3]

Нейронные имплантаты разработаны так, чтобы быть как можно меньше, чтобы быть минимально инвазивными, особенно в областях, окружающих мозг, глаза или улитку. Эти имплантаты обычно взаимодействуют со своими протезными аналогами по беспроводной связи. Кроме того, в настоящее время питание поступает посредством беспроводной передачи энергии через кожу. Ткань, окружающая имплантат, обычно очень чувствительна к повышению температуры, что означает, что потребление энергии должно быть минимальным, чтобы предотвратить повреждение тканей. [4]

В настоящее время наиболее широко используемым нейропротезом является кохлеарный имплантат: по состоянию на 2019 год во всем мире использовалось более 736 900 таких имплантатов . [5]

История

Первый известный кохлеарный имплантат был создан в 1957 году. Другие вехи включают первый двигательный протез для лечения свисающей стопы при гемиплегии в 1961 году, первый слуховой имплантат ствола мозга в 1977 году и периферический нервный мост, имплантированный в спинной мозг взрослой крысы в ​​1981 году. В 1988 году имплантат переднего поясничного корешка и функциональная электростимуляция (ФЭС) облегчили стояние и ходьбу, соответственно, для группы параплегиков . [6]

Что касается разработки электродов, имплантируемых в мозг, то изначально сложность заключалась в надежном определении местоположения электродов, которое изначально осуществлялось путем введения электродов с помощью игл и отламывания игл на нужной глубине. [7] Современные системы используют более совершенные зонды, такие как те, которые используются при глубокой стимуляции мозга для облегчения симптомов болезни Паркинсона . Проблема с любым подходом заключается в том, что мозг свободно плавает в черепе, в то время как зонд — нет, и относительно незначительные воздействия, такие как авария на низкой скорости автомобиля, потенциально опасны. Некоторые исследователи, такие как Кенсалл Уайз из Мичиганского университета , предложили привязывать «электроды, которые будут установлены на внешней поверхности мозга» к внутренней поверхности черепа. [8] Однако даже в случае успеха привязывание не решит проблему в устройствах, предназначенных для глубокой установки в мозг, например, в случае глубокой стимуляции мозга (DBS).

Сенсорное протезирование

Зрительное протезирование

Зрительный протез может создавать ощущение изображения, стимулируя нейроны зрительной системы электрическим током . Камера будет передавать изображение по беспроводной связи на имплантат, имплантат будет отображать изображение через массив электродов. Массив электродов должен эффективно стимулировать 600–1000 мест, стимулируя эти зрительные нейроны в сетчатке, таким образом, создавая изображение. Стимуляция также может быть выполнена в любом месте на пути оптического сигнала. Можно стимулировать зрительный нерв , чтобы создать изображение, или можно стимулировать зрительную кору , хотя клинические испытания оказались наиболее успешными для ретинальных имплантатов.

Система визуального протеза состоит из внешней (или имплантируемой) системы визуализации, которая получает и обрабатывает видео. Питание и данные будут передаваться на имплантат по беспроводной связи внешним устройством. Имплантант использует полученную мощность/данные для преобразования цифровых данных в аналоговый выход, который будет доставлен к нерву через микроэлектроды.

Фоторецепторы — это специализированные нейроны, которые преобразуют фотоны в электрические сигналы. Они являются частью сетчатки , многослойной нервной структуры толщиной около 200 мкм, которая выстилает заднюю часть глаза . Обработанный сигнал отправляется в мозг через зрительный нерв . Если какая-либо часть этого пути повреждена, может возникнуть слепота .

Слепота может возникнуть из-за повреждения оптического пути ( роговицы , водянистой влаги , хрусталика и стекловидного тела ). Это может произойти в результате несчастного случая или болезни. Два наиболее распространенных ретинальных дегенеративных заболевания, которые приводят к слепоте, вторичной по отношению к потере фоторецепторов, — это возрастная макулярная дегенерация (ВМД) и пигментный ретинит (РП).

Первым клиническим испытанием постоянно имплантированного ретинального протеза было устройство с пассивной микрофотодиодной матрицей с 3500 элементами. [9] Это испытание было реализовано в Optobionics, Inc. в 2000 году. В 2002 году Second Sight Medical Products , Inc. (Sylmar, CA) начала испытание с прототипом эпиретинального имплантата с 16 электродами. Испытуемыми были шесть человек с чистым световосприятием, вторичным по отношению к RP. Испытуемые продемонстрировали свою способность различать три обычных объекта (тарелку, чашку и нож) на уровнях, статистически превышающих случайность. Активное субретинальное устройство, разработанное Retina Implant GMbH (Reutlingen, Germany), начало клинические испытания в 2006 году. ИС с 1500 микрофотодиодами была имплантирована под сетчатку. Микрофотодиоды служат для модуляции импульсов тока на основе количества света, падающего на фотодиод . [ 10]

Основополагающая экспериментальная работа по разработке зрительных протезов была выполнена путем стимуляции коры с использованием сетки больших поверхностных электродов. В 1968 году Джайлз Бриндли имплантировал устройство из 80 электродов на зрительную поверхность коры 52-летней слепой женщины. В результате стимуляции пациентка смогла увидеть фосфены в 40 различных положениях поля зрения. [11] Этот эксперимент показал, что имплантированное устройство электростимулятора может восстановить некоторую степень зрения. Недавние усилия в области протезирования зрительной коры оценили эффективность стимуляции зрительной коры у нечеловекообразных приматов. В этом эксперименте после процесса обучения и картирования обезьяна способна выполнять одну и ту же задачу визуальной саккады как со световой, так и с электрической стимуляцией.

Требования к протезу сетчатки высокого разрешения должны вытекать из потребностей и желаний слепых людей, которым устройство принесет пользу. Взаимодействие с этими пациентами показывает, что мобильность без трости, распознавание лиц и чтение являются основными необходимыми вспомогательными возможностями. [12]

Результаты и последствия полностью функциональных визуальных протезов захватывающие. Однако проблемы серьезные. Для того, чтобы изображение хорошего качества было отображено на сетчатке, необходимо большое количество микромасштабных электродных решеток. Кроме того, качество изображения зависит от того, сколько информации может быть отправлено по беспроводной связи. Кроме того, этот большой объем информации должен быть получен и обработан имплантатом без большого рассеивания мощности, которое может повредить ткани. Размер имплантата также вызывает большую озабоченность. Любой имплантат предпочтительнее, чтобы был минимально инвазивным. [12]

С этой новой технологией несколько ученых, включая Карен Моксон из Drexel , Джона Чапина из SUNY и Мигеля Николелиса из Duke University , начали исследования по разработке сложного зрительного протеза. Другие ученые [ кто? ] не согласились с фокусом их исследований, утверждая, что базовые исследования и разработка густонаселенной микроскопической проволоки были недостаточно сложными для продолжения.

Слуховое протезирование

Кохлеарные имплантаты (КИ), слуховые имплантаты ствола мозга (СШМ) и слуховые имплантаты среднего мозга (СШМ) — это три основные категории слуховых протезов. Электродные решетки КИ имплантируются в улитку, электродные решетки ABI стимулируют комплекс кохлеарного ядра в нижней части ствола мозга , а СШМ стимулируют слуховые нейроны в нижнем холмике . Кохлеарные имплантаты оказались очень успешными среди этих трех категорий. Сегодня основными коммерческими поставщиками кохлеарных имплантатов являются Advanced Bionics Corporation, Cochlear Corporation и Med-El Corporation.

В отличие от традиционных слуховых аппаратов, которые усиливают звук и передают его через наружное ухо, кохлеарные импланты улавливают и обрабатывают звук и преобразуют его в электрическую энергию для последующей доставки в слуховой нерв . Микрофон системы КИ принимает звук из внешней среды и отправляет его в процессор. Процессор оцифровывает звук и фильтрует его в отдельные частотные диапазоны, которые отправляются в соответствующую тонотоническую область в улитке , которая приблизительно соответствует этим частотам.

В 1957 году французские исследователи А. Джурно и К. Эйриес с помощью Д. Кайзера представили первое подробное описание прямой стимуляции слухового нерва у человека. [13] Эти люди описывали, что слышали щебечущие звуки во время стимуляции. В 1972 году в клинике House Ear Clinic была имплантирована первая портативная система кохлеарного имплантата у взрослого человека. Управление по контролю за продуктами и лекарствами США (FDA) официально одобрило маркетинг кохлеарного имплантата House-3M в ноябре 1984 года. [14]

Улучшение производительности кохлеарных имплантатов зависит не только от понимания физических и биофизических ограничений стимуляции имплантата, но и от понимания требований обработки мозгом шаблонов. Современная обработка сигналов представляет собой наиболее важную речевую информацию, а также предоставляет мозгу информацию о распознавании шаблонов , которая ему необходима. Распознавание шаблонов в мозге более эффективно, чем алгоритмическая предварительная обработка, при определении важных особенностей речи. Сочетание инженерии, обработки сигналов, биофизики и когнитивной нейронауки было необходимо для создания правильного баланса технологий для максимизации производительности слухового протеза. [15]

Кохлеарные имплантаты также использовались для развития устной речи у детей с врожденной глухотой, причем ранние имплантаты (до достижения 2–4 лет жизни) имели значительный успех. [16] Во всем мире имплантаты были установлены примерно 80 000 детей.

Концепция комбинирования одновременной электроакустической стимуляции (EAS) для улучшения слуха была впервые описана C. von Ilberg и J. Kiefer из Universitätsklinik Frankfurt, Германия, в 1999 году. [17] В том же году был имплантирован первый пациент с EAS. С начала 2000-х годов FDA участвует в клиническом испытании устройства под названием «Hybrid» от Cochlear Corporation. Это испытание направлено на изучение полезности кохлеарной имплантации у пациентов с остаточным низкочастотным слухом. «Hybrid» использует более короткий электрод, чем стандартный кохлеарный имплант, поскольку электрод короче, он стимулирует базальную область улитки и, следовательно, высокочастотную тонотопическую область. Теоретически эти устройства будут полезны пациентам со значительным низкочастотным остаточным слухом, которые потеряли восприятие в диапазоне речевых частот и, следовательно, имеют сниженные показатели различения. [18]

Для получения звука см. Синтез речи .

Протезирование для облегчения боли

Устройство SCS (стимулятор спинного мозга) состоит из двух основных компонентов: электрода и генератора. Техническая цель SCS при невропатической боли — замаскировать область боли пациента с помощью покалывания, вызванного стимуляцией, известного как « парестезия », поскольку это перекрытие необходимо (но недостаточно) для достижения облегчения боли. [19] Охват парестезии зависит от того, какие афферентные нервы стимулируются. Наиболее легко вовлекаемыми дорсальным срединным электродом, расположенным близко к пиальной поверхности спинного мозга , являются крупные афферентные нервы дорсального столба , которые вызывают широкую парестезию, охватывающую сегменты каудально.

В древние времена электрогенная рыба использовалась в качестве шокера для снятия боли. Целители разработали конкретные и подробные методы использования генеративных качеств рыбы для лечения различных типов боли, включая головную боль. Из-за неловкости использования живого генератора шока требовался изрядный уровень мастерства, чтобы доставить терапию к цели в течение надлежащего количества времени. (Включая поддержание рыбы в живых как можно дольше) Электроанальгезия была первым преднамеренным применением электричества. К девятнадцатому веку большинство западных врачей предлагали своим пациентам электротерапию, проводимую портативным генератором. [20] Однако в середине 1960-х годов три вещи сошлись воедино, чтобы обеспечить будущее электростимуляции.

  1. Технология кардиостимуляторов , появившаяся в 1950 году, стала доступной.
  2. Мелзак и Уолл опубликовали свою теорию контроля ворот боли , в которой предполагалось, что передача боли может быть заблокирована путем стимуляции крупных афферентных волокон. [21]
  3. Врачи-первопроходцы заинтересовались стимуляцией нервной системы для облегчения боли у пациентов.

Варианты дизайна электродов включают их размер, форму, расположение, количество и назначение контактов, а также способ имплантации электрода. Вариант дизайна генератора импульсов включает источник питания, целевое анатомическое местоположение размещения, источник тока или напряжения, частоту импульсов, ширину импульса и количество независимых каналов. Вариантов программирования очень много (четырехконтактный электрод предлагает 50 функциональных биполярных комбинаций). Текущие устройства используют компьютеризированное оборудование для поиска наилучших вариантов использования. Этот вариант перепрограммирования компенсирует постуральные изменения, миграцию электрода, изменения в месте боли и неоптимальное размещение электрода. [22]

Двигательное протезирование

Устройства, поддерживающие функцию автономной нервной системы , включают имплант для контроля мочевого пузыря . В соматической нервной системе попытки помочь сознательному контролю движения включают функциональную электростимуляцию и стимулятор переднего поясничного корешка .

Имплантаты для контроля мочевого пузыря

Если поражение спинного мозга приводит к параплегии , у пациентов возникают трудности с опорожнением мочевого пузыря, и это может вызвать инфекцию. С 1969 года Бриндли разработал стимулятор переднего крестцового корешка, который успешно испытывался на людях с начала 1980-х годов. [23] Это устройство имплантируется над передними крестцовыми корешковыми ганглиями спинного мозга; управляемое внешним передатчиком, оно обеспечивает прерывистую стимуляцию, которая улучшает опорожнение мочевого пузыря. Оно также помогает при дефекации и позволяет пациентам-мужчинам иметь устойчивую полную эрекцию.

Сопутствующая процедура стимуляции крестцового нерва предназначена для контроля недержания мочи у здоровых пациентов. [24]

Двигательные протезы для осознанного управления движением

В настоящее время исследователи изучают и создают двигательные нейропротезы, которые помогут восстановить движение и способность общаться с внешним миром у людей с двигательными нарушениями, такими как тетраплегия или боковой амиотрофический склероз . Исследования показали, что полосатое тело играет решающую роль в двигательном сенсорном обучении. Это было продемонстрировано в эксперименте, в котором частота активации полосатого тела у лабораторных крыс была зафиксирована на более высоком уровне после последовательного выполнения задания.

Для захвата электрических сигналов мозга ученые разработали микроэлектродные массивы размером меньше квадратного сантиметра, которые можно имплантировать в череп для записи электрической активности, передавая записанную информацию через тонкий кабель. После десятилетий исследований на обезьянах нейробиологи смогли расшифровать нейронные сигналы в движения. Завершив перевод, исследователи создали интерфейсы, которые позволяют пациентам перемещать курсоры компьютера, и они начинают создавать роботизированные конечности и экзоскелеты, которыми пациенты могут управлять, думая о движении. [ необходима цитата ]

Технология, лежащая в основе моторных нейропротезов, все еще находится в зачаточном состоянии. Исследователи и участники исследования продолжают экспериментировать с различными способами использования протезов . Например, если пациент думает о сжатии кулака, это дает иной результат, чем если он думает о постукивании пальцем. Фильтры, используемые в протезах, также дорабатываются, и в будущем врачи надеются создать имплантат, способный передавать сигналы изнутри черепа по беспроводной связи , а не по кабелю. [ требуется цитата ]

До этих достижений Филипп Кеннеди ( Эмори и Технологический институт Джорджии ) имел работоспособную, хотя и несколько примитивную систему, которая позволяла человеку с параличом писать слова, модулируя активность своего мозга. Устройство Кеннеди использовало два нейротрофических электрода : первый был имплантирован в неповрежденную двигательную корковую область (например, область представления пальцев) и использовался для перемещения курсора среди группы букв. Второй был имплантирован в другую двигательную область и использовался для указания выбора. [25]

Продолжаются разработки по замене утраченных рук кибернетическими заменителями с использованием нервов, обычно связанных с грудными мышцами. Эти руки допускают немного ограниченный диапазон движения и, как сообщается, должны быть оснащены датчиками для определения давления и температуры. [26]

Доктор Тодд Куикен из Северо-Западного университета и Чикагского института реабилитации разработал метод, называемый целевой реиннервацией, для людей с ампутированными конечностями, позволяющий управлять моторизованными протезными устройствами и восстанавливать сенсорную обратную связь.

В 2002 году массив из 100 электродов Multielectrode , который теперь является сенсорной частью Braingate , был имплантирован непосредственно в срединные нервные волокна ученого Кевина Уорика . Записанные сигналы использовались для управления роботизированной рукой, разработанной коллегой Уорика Питером Кибердом , и она могла имитировать действия собственной руки Уорика. [27] Кроме того, через имплантат обеспечивалась форма сенсорной обратной связи путем пропускания небольших электрических токов в нерв. Это вызывало сокращение первой червеобразной мышцы руки, и именно это движение воспринималось. [27]

В июне 2014 года спортсмен-параличник Джулиано Пинто выполнил первый церемониальный удар ногой на чемпионате мира по футболу FIFA 2014, используя экзоскелет с внешним питанием и интерфейсом мозга. [28] Экзоскелет был разработан в рамках проекта Walk Again в лаборатории Мигеля Николелиса, финансируемого правительством Бразилии. [28] Николелис говорит, что обратная связь от заменяющих конечностей (например, информация о давлении, испытываемом протезной ногой, касающейся земли) необходима для равновесия. [29] Он обнаружил, что до тех пор, пока люди могут видеть, как конечности, контролируемые интерфейсом мозга, движутся одновременно с подачей команды на это, при повторном использовании мозг ассимилирует конечность с внешним питанием и начнет воспринимать ее (с точки зрения осознания положения и обратной связи) как часть тела. [29]

Методы ампутации

Группа биомехатроники Массачусетского технологического института разработала новую парадигму ампутации, которая позволяет биологическим мышцам и миоэлектрическим протезам взаимодействовать на нейронном уровне с высокой надежностью. Эта хирургическая парадигма, называемая агонист-антагонист мионевральским интерфейсом (AMI), предоставляет пользователю возможность ощущать и контролировать свою протезную конечность как продолжение собственного тела, а не использовать протез, который просто напоминает придаток. В обычных отношениях пары мышц агонист-антагонист (например, бицепс-трицепс), когда агонистическая мышца сокращается, антагонистическая мышца растягивается, и наоборот, предоставляя человеку знание положения своей конечности, даже не глядя на нее. Во время стандартной ампутации агонистические-антагонистические мышцы (например, бицепс-трицепс) изолированы друг от друга, что не позволяет иметь динамический механизм сокращения-разгибания, который генерирует сенсорную обратную связь. Таким образом, современные ампутанты не имеют возможности чувствовать физическую среду, с которой сталкивается их протезная конечность. Более того, при нынешней хирургии ампутации, которая существует уже более 200 лет, 1/3 пациентов подвергаются повторным операциям из-за боли в культях.

AMI состоит из двух мышц, которые изначально имели агонистические-антагонистические отношения. Во время операции по ампутации эти две мышцы механически соединяются вместе в ампутированной культе. [30] Одна пара мышц AMI может быть создана для каждой степени свободы сустава у пациента, чтобы установить контроль и ощущение нескольких протезных суставов. В предварительном тестировании этого нового нейронного интерфейса пациенты с AMI продемонстрировали и сообщили о большем контроле над протезом. Кроме того, наблюдалось более естественное рефлекторное поведение во время ходьбы по лестнице по сравнению с субъектами с традиционной ампутацией. [31] AMI также может быть сконструирован путем объединения двух деваскуляризированных мышечных трансплантатов. Эти мышечные трансплантаты (или лоскуты) представляют собой запасную мышцу, которая денервируется (отделяется от исходных нервов) и удаляется из одной части тела для повторной иннервации разорванными нервами, обнаруженными в конечности, подлежащей ампутации. [30] Благодаря использованию регенерированных мышечных лоскутов можно создавать ОИМ для пациентов с мышечной тканью, которая подверглась сильной атрофии или повреждению, или для пациентов, которые переносят ревизию ампутированной конечности по таким причинам, как невромная боль, костные шпоры и т. д.

Препятствия

Математическое моделирование

Точная характеристика нелинейных параметров ввода/вывода (I/O) нормально функционирующей ткани, подлежащей замене, имеет первостепенное значение для проектирования протеза, который имитирует нормальные биологические синаптические сигналы. [32] [33] Математическое моделирование этих сигналов является сложной задачей «из-за нелинейной динамики, присущей клеточным/молекулярным механизмам, включающим нейроны и их синаптические связи». [34] [35] [36] Выход почти всех нейронов мозга зависит от того, какие постсинаптические входы активны и в каком порядке они получены. (пространственные и временные свойства соответственно). [37]

После математического моделирования параметров ввода/вывода разрабатываются интегральные схемы для имитации нормальных биологических сигналов. Чтобы протез функционировал как нормальная ткань, он должен обрабатывать входные сигналы, процесс, известный как трансформация , таким же образом, как нормальная ткань. [ необходима цитата ]

Размер

Имплантируемые устройства должны быть очень маленькими, чтобы их можно было имплантировать непосредственно в мозг, примерно размером с четвертак. Одним из примеров микроимплантируемой электродной решетки является решетка Юта. [38]

Беспроводные устройства управления могут быть установлены снаружи черепа и должны быть меньше пейджера.

Потребляемая мощность

Потребляемая мощность определяет размер батареи. Оптимизация имплантированных цепей снижает потребность в энергии. В настоящее время имплантированным устройствам требуются бортовые источники питания. После разрядки батареи для ее замены требуется хирургическое вмешательство. Более длительный срок службы батареи коррелирует с меньшим количеством операций, необходимых для замены батарей. Один из вариантов, который можно использовать для подзарядки имплантированных батарей без хирургического вмешательства или проводов, используется в электрических зубных щетках. [39] Эти устройства используют индуктивную зарядку для подзарядки батарей. Другая стратегия заключается в преобразовании электромагнитной энергии в электрическую, как в радиочастотных идентификационных метках.

Биосовместимость

Когнитивные протезы имплантируются непосредственно в мозг, поэтому биосовместимость является очень важным препятствием для преодоления. Материалы, используемые в корпусе устройства, материал электродов (например, оксид иридия [40] ) и изоляция электродов должны быть выбраны для долгосрочной имплантации. Подпадают под стандарты: ISO 14708-3 2008-11-15, Имплантаты для хирургии. Активные имплантируемые медицинские устройства. Часть 3: Имплантируемые нейростимуляторы.

Пересечение гематоэнцефалического барьера может ввести патогены или другие материалы, которые могут вызвать иммунный ответ. Мозг имеет свою собственную иммунную систему, которая действует иначе, чем иммунная система остального тела. [ необходима цитата ]

Передача данных

Беспроводная передача данных разрабатывается для обеспечения непрерывной записи нейронных сигналов людей в их повседневной жизни. Это позволяет врачам и клиницистам собирать больше данных, гарантируя, что краткосрочные события, такие как эпилептические припадки, могут быть зарегистрированы, что позволяет улучшить лечение и характеристику неврологических заболеваний.

В Стэнфордском университете было разработано небольшое и легкое устройство, позволяющее вести постоянную запись нейронов мозга приматов. [41] Эта технология также позволяет нейробиологам изучать мозг за пределами контролируемой среды лаборатории.

Методы передачи данных между нейропротезами и внешними системами должны быть надежными и безопасными. Беспроводные нейронные имплантаты могут иметь те же уязвимости кибербезопасности , что и любая другая ИТ- система, что и привело к появлению термина «нейробезопасность» . Нарушение нейробезопасности можно считать нарушением врачебной конфиденциальности .

Правильная имплантация

Имплантация устройства представляет множество проблем. Во-первых, правильные пресинаптические входы должны быть подключены к правильным постсинаптическим входам на устройстве. Во-вторых, выходы от устройства должны быть направлены правильно на нужную ткань. В-третьих, мозг должен научиться использовать имплант. Различные исследования пластичности мозга предполагают, что это может быть возможно с помощью упражнений, разработанных с надлежащей мотивацией. [ необходима цитата ]

Используемые технологии

Локальные потенциалы поля

Локальные полевые потенциалы (LFP) — это электрофизиологические сигналы, которые связаны с суммой всей дендритной синаптической активности в объеме ткани. Недавние исследования показывают, что цели и ожидаемое значение — это когнитивные функции высокого уровня, которые можно использовать для нейронных когнитивных протезов. [42] Кроме того, ученые Университета Райса открыли новый метод настройки вызванных светом вибраций наночастиц посредством небольших изменений поверхности, к которой прикреплены частицы. По данным университета, это открытие может привести к новым приложениям фотоники от молекулярного зондирования до беспроводной связи. Они использовали сверхбыстрые лазерные импульсы, чтобы заставить атомы в золотых нанодисках вибрировать. [43]

Автоматизированные подвижные электрические зонды

Одним из препятствий, которое необходимо преодолеть, является долгосрочная имплантация электродов. Если электроды перемещаются под действием физического шока или мозг перемещается относительно положения электродов, электроды могут регистрировать разные нервы. Регулировка электродов необходима для поддержания оптимального сигнала. Индивидуальная настройка многоэлектродных массивов — очень утомительный и трудоемкий процесс. Разработка автоматически регулируемых электродов могла бы смягчить эту проблему. Группа Андерсона в настоящее время сотрудничает с лабораторией Ю-Чонг Тая и лабораторией Бердика (все в Калтехе), чтобы создать такую ​​систему, которая использует приводы на основе электролиза для независимой регулировки электродов в хронически имплантированном массиве электродов. [44]

Хирургические методы с визуальным контролем

Хирургия под визуальным контролем используется для точного позиционирования мозговых имплантатов. [42]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Крукофф, Макс О.; Рахимпур, Шервин; Слуцки, Марк В.; Эджертон, В. Реджи; Тернер, Деннис А. (2016-01-01). «Улучшение восстановления нервной системы с помощью нейробиологии, обучения нейронному интерфейсу и нейрореабилитации». Frontiers in Neuroscience . 10 : 584. doi : 10.3389/fnins.2016.00584 . PMC  5186786. PMID  28082858 .
  2. ^ "Кохлеарные имплантаты". NIDCD . 24 марта 2021 г. Получено 27 июня 2022 г.
  3. ^ Кансаку, Кэндзи (2021-03-08). «Нейропротезирование в системной нейронауке и медицине». Scientific Reports . 11 (1): 5404. Bibcode : 2021NatSR..11.5404K. doi : 10.1038/s41598-021-85134-4. ISSN  2045-2322. PMC 7970876. PMID 33686138  . 
  4. ^ Дэниел Гаррисон (2007). «Минимизация термических эффектов датчиков тела in vivo». 4-й Международный семинар по сетям носимых и имплантируемых датчиков тела (BSN 2007) . Труды IFMBE. Том 13. С. 284–89. doi :10.1007/978-3-540-70994-7_47. ISBN 978-3-540-70993-0.
  5. ^ "Кохлеарные имплантаты". 2021-03-24.
  6. ^ Ханда Г (2006) «Нейронный протез – прошлое, настоящее и будущее» Индийский журнал физической медицины и реабилитации 17(1)
  7. ^ Чой, Юнг-Рюль (2018). «Имплантируемые нейронные зонды для интерфейсов мозг-машина – текущие разработки и будущие перспективы». Экспериментальная нейробиология . 27 (6): 453–471. doi :10.5607/en.2018.27.6.453. PMC 6318554. PMID 30636899  . 
  8. ^ Сеймур, Джон (январь 2017 г.). «Современные МЭМС и микросистемные инструменты для исследования мозга». Микросистемы и наноинженерия . 3 : 16066. doi : 10.1038/micronano.2016.66. PMC 6445015. PMID  31057845. 
  9. ^ AY Chow, VY Chow, K. Packo, J. Pollack, G. Peyman и R. Schuchard, «Искусственный кремниевый ретинальный микрочип для лечения потери зрения от пигментного ретинита», Arch.Ophthalmol., т. 122, стр. 460, 2004
  10. ^ MJ McMahon, A. Caspi, JDDorn, KH McClure, M. Humayun и R. Greenberg, «Пространственное зрение у слепых людей с имплантированным протезом сетчатки второго зрения», представлено на ежегодной встрече ARVO, Форт-Лодердейл, Флорида, 2007.
  11. ^ GS Brindley и WS Lewin, «Ощущения, вызываемые электрической стимуляцией зрительной коры», J. Physiol., т. 196, стр. 479, 1968
  12. ^ ab Weiland JD, Humayun MS. 2008. Визуальный протез. Труды IEEE 96:1076–84
  13. ^ JK Niparko и BW Wilson, «История кохлеарных имплантатов», в Cochlear Implants: Principles and Practices. Филадельфия, Пенсильвания: Lippincott Williams & Wilkins, 2000, стр. 103–08
  14. ^ WF House, Кохлеарные имплантаты: моя точка зрения
  15. ^ Файад Дж. Н., Отто СР., Шеннон Р. В., Бракманн Д. Э. 2008. Кохлеарные и стволовые слуховые протезы «нейронный интерфейс для восстановления слуха: кохлеарные и стволомозговые имплантаты». Труды IEEE 96:1085–95
  16. ^ Крал А., О'Донохью ГМ. Глубокая глухота в детстве. New England J Medicine 2010: 363; 1438–50
  17. ^ В. Ильберг К., Кифер Дж., Тиллейн Дж., Пфеннигдорф Т., Хартманн Р., Штюрцебехер Э., Клинке Р. (1999). Электроакустическая стимуляция слуховой системы. ОРЛ 61:334–40.
  18. ^ BJ Gantz, C. Turner и KE Gfeller, «Акустическая и электрическая обработка речи: предварительные результаты многоцентрового клинического испытания гибридного имплантата Iowa/Nucleus», Audiol. Neurotol., т. 11 (дополнение), стр. 63–68, 2006, т. 1
  19. ^ RB North, ME Ewend, MA Lawton и S. Piantadosi, «Стимуляция спинного мозга при хронической, неустранимой боли: превосходство «многоканальных» устройств», Pain, т. 4, № 2, стр. 119–30, 1991
  20. ↑ Д. Фишлок, «Доктор вольт [электротерапия]», Inst. Elect. Eng. Rev., т. 47, стр. 23–28, май 2001 г.
  21. ↑ П. Мелзак и П. Д. Уолл, «Механизмы боли: новая теория», Science, т. 150, № 3699, стр. 971–78, ноябрь 1965 г.
  22. ^ North RB. 2008. Устройства нейронного интерфейса: Технология стимуляции спинного мозга. Труды IEEE 96:1108–19
  23. ^ Brindley GS, Polkey CE, Rushton DN (1982): Стимулятор переднего крестцового корешка для контроля мочевого пузыря при параплегии. Paraplegia 20: 365–81.
  24. ^ Schmidt RA, Jonas A, Oleson KA, Janknegt RA, Hassouna MM, Siegel SW, van Kerrebroeck PE. Стимуляция крестцового нерва для лечения рефрактерного недержания мочи. Группа по изучению крестцового нерва. J Urol 1999 Aug;16(2):352–57.
  25. ^ Гэри Гёттлинг. «Использование силы мысли». Архивировано из оригинала 14 апреля 2006 г. Получено 22 апреля 2006 г.
  26. ↑ Дэвид Браун (14 сентября 2006 г.). "Washington Post" . Получено 14 сентября 2006 г.
  27. ^ ab Warwick, K, Gasson, M, Hutt, B, Goodhew, I, Kyberd, P, Andrews, B, Teddy, P и Shad, A: «Применение технологии имплантации для кибернетических систем», Архивы неврологии , 60(10), стр. 1369–73, 2003
  28. ^ ab «Мы сделали это!» Костюм «Железного человека», управляемый мозгом, открывает чемпионат мира
  29. ^ ab Коммуникация от мозга к мозгу (аудиоинтервью с доктором Мигелем Николелисом)
  30. ^ ab «О протезном управлении: регенеративный агонист-антагонист мионевральный интерфейс», Science Robotics , 31 мая 2017 г.
  31. ^ «Проприоцепция от протеза нижней конечности с нейронным управлением», Science Translational Medicine , 30 мая 2018 г.
  32. ^ Bertaccini, D., & Fanelli, S. (2009). Вычислительные и кондиционирующие проблемы дискретной модели кохлеарной сенсоневральной гипоакузии. [Статья]. Прикладная численная математика, 59(8), 1989–2001.
  33. ^ Мармарелис, В. З. (1993). ИДЕНТИФИКАЦИЯ НЕЛИНЕЙНЫХ БИОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РАЗЛОЖЕНИЙ ЛАГЕРРА ЯДЕР. [Статья]. Annals of Biomedical Engineering, 21(6), 573–89.
  34. ^ TW Berger, TP Harty, X. Xie, G. Barrionuevo и RJ Sclabassi, «Моделирование нейронных сетей посредством экспериментальной декомпозиции», в Proc. IEEE 34th Mid Symp. Cir. Sys., Monterey, CA, 1991, т. 1, стр. 91–97.
  35. ^ TW Berger, G. Chauvet и RJ Sclabassi, «Биологически обоснованная модель функциональных свойств гиппокампа», Neural Netw., т. 7, № 6–7, стр. 1031–64, 1994.
  36. ^ SS Dalal, VZ Marmarelis и TW Berger, «Нелинейная модель положительной обратной связи глутаматергической синаптической передачи в зубчатой ​​извилине», в Proc. 4th Joint Symp. Neural Computation, Калифорния, 1997, т. 7, стр. 68–75.
  37. ^ Бергер, TW, Ахуджа, A., Курелли, SH, Дедвайлер, SA, Эринджиппурат, G., Герхардт, GA, и др. (2005). Восстановление утраченной когнитивной функции. Журнал IEEE Engineering in Medicine and Biology, 24(5), 30–44.
  38. ^ Р. Бхандари; С. Неги; Ф. Солцбахер (2010). «Изготовление пластинчатых массивов проникающих нейронных электродов». Биомедицинские микроустройства . 12 (5): 797–807. doi :10.1007/s10544-010-9434-1. PMID  20480240. S2CID  25288723.
  39. ^ Квеку, Отчере (2017). «Беспроводное мобильное зарядное устройство с использованием индуктивной связи». Международный журнал по инжинирингу и передовым технологиям . 7 (1): 84–99.
  40. ^ S Negi, R. Bhandari, L Rieth, RV Wagenen и F Solzbacher, «Деградация нейронных электродов от непрерывной электрической стимуляции: сравнение распыленного и активированного оксида иридия», Журнал методов нейронауки, т. 186, стр. 8–17, 2010.
  41. ^ HermesC: Маломощная беспроводная нейронная система записи для свободно движущихся приматов Честек, Калифорния; Джилья, В.; Нуюджукян, П.; Кир, Р. Дж.; Солцбахер, Ф.; Рю, СИ; Харрисон, Р. Р.; Шеной, К. В.; Нейронные системы и реабилитационная инженерия, IEEE Transactions on Volume 17, Issue 4, Aug. 2009, pp. 330–38.
  42. ^ ab Andersen, RA, Burdick, JW, Musallam, S., Pesaran, B., & Cham, JG (2004). Когнитивное нейронное протезирование. Тенденции в когнитивных науках, 8(11), 486–93.
  43. ^ Инженер. Лондон. Centaur Communications Ltd. 2015, 8 мая.

Дальнейшее чтение

Внешние ссылки

На Викискладе есть медиафайлы по теме «Нейропротезирование» .