Нейронная инженерия (также известная как нейроинженерия ) — это дисциплина в биомедицинской инженерии , которая использует инженерные методы для понимания, ремонта, замены или улучшения нейронных систем. Нейронные инженеры обладают уникальной квалификацией для решения проблем проектирования на стыке живой нервной ткани и неживых конструкций. [1]
Область нейронной инженерии опирается на области вычислительной нейронауки , экспериментальной нейронауки, неврологии , электротехники и обработки сигналов живой нервной ткани и охватывает элементы робототехники , кибернетики , компьютерной инженерии , инженерии нейронных тканей , материаловедения и нанотехнологий .
К числу основных целей в этой области относятся восстановление и расширение человеческих функций посредством прямого взаимодействия нервной системы с искусственными устройствами .
Многие современные исследования сосредоточены на понимании кодирования и обработки информации в сенсорных и двигательных системах, количественной оценке того, как эта обработка изменяется в патологическом состоянии, и как ею можно манипулировать посредством взаимодействия с искусственными устройствами, включая интерфейсы мозг-компьютер и нейропротезы .
Другие исследования больше сосредоточены на экспериментальном изучении, включая использование нейронных имплантатов, связанных с внешними технологиями.
Нейрогидродинамика — раздел нейронной инженерии, занимающийся гидродинамикой нервной системы.
Истоки нейронной инженерии берут начало от итальянского физика и биолога Луиджи Гальвани . Гальвани вместе с такими пионерами, как Эмиль дю Буа-Реймон, открыл, что электрические сигналы в нервах и мышцах управляют движением, что знаменует собой первое понимание электрической природы мозга. [2] Поскольку нейронная инженерия является относительно новой областью, информация и исследования, относящиеся к ней, сравнительно ограничены, хотя это быстро меняется. Первые журналы, специально посвященные нейронной инженерии, The Journal of Neural Engineering и The Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation, появились в 2004 году. Международные конференции по нейронной инженерии проводятся IEEE с 2003 года, с 29 апреля по 2 мая 2009 года в Анталье, Турция: 4-я конференция по нейронной инженерии, [3] 5-я международная конференция IEEE EMBS по нейронной инженерии в апреле/мае 2011 года в Канкуне , Мексика , и 6-я конференция в Сан-Диего , Калифорния , в ноябре 2013 года. 7-я конференция прошла в апреле 2015 года в Монпелье . 8-я конференция прошла в мае 2017 года в Шанхае .
Основы нейроинженерии включают взаимосвязь нейронов, нейронных сетей и функций нервной системы с количественными моделями, которые помогут разработать устройства, способные интерпретировать и контролировать сигналы, а также выдавать целенаправленные ответы.
Сообщения, которые тело использует для влияния на мысли, чувства, движения и выживание, направляются нервными импульсами, передаваемыми через мозговую ткань и в остальную часть тела. Нейроны являются основной функциональной единицей нервной системы и являются высокоспециализированными клетками, которые способны посылать эти сигналы, которые выполняют функции высокого и низкого уровня, необходимые для выживания и качества жизни. Нейроны обладают особыми электрохимическими свойствами, которые позволяют им обрабатывать информацию, а затем передавать ее другим клеткам. Активность нейронов зависит от потенциала нейронной мембраны и изменений, которые происходят вдоль и поперек нее. Постоянное напряжение, известное как мембранный потенциал , обычно поддерживается определенными концентрациями определенных ионов на нейронных мембранах. Нарушения или изменения этого напряжения создают дисбаланс или поляризацию на мембране. Деполяризация мембраны за пределами ее порогового потенциала генерирует потенциал действия, который является основным источником передачи сигнала, известной как нейротрансмиссия нервной системы. Потенциал действия приводит к каскаду ионного потока вниз и через аксональную мембрану, создавая эффективную цепь скачков напряжения или «электрический сигнал», который может передавать дальнейшие электрические изменения в другие клетки. Сигналы могут генерироваться электрическими, химическими, магнитными, оптическими и другими формами стимулов, которые влияют на поток зарядов и, таким образом, на уровни напряжения через нейронные мембраны. [4] [ нужны страницы ]
Инженеры используют количественные инструменты, которые могут быть использованы для понимания и взаимодействия со сложными нейронными системами. Методы изучения и генерации химических, электрических, магнитных и оптических сигналов, ответственных за внеклеточные полевые потенциалы и синаптическую передачу в нервной ткани, помогают исследователям в модуляции активности нервной системы. [5] Чтобы понять свойства активности нервной системы, инженеры используют методы обработки сигналов и вычислительное моделирование. [6] Чтобы обработать эти сигналы, нейронные инженеры должны преобразовать напряжения через нейронные мембраны в соответствующий код, процесс, известный как нейронное кодирование. Нейронное кодирование изучает, как мозг кодирует простые команды в форме центральных генераторов паттернов (CPG), векторов движения, мозжечковой внутренней модели и соматотопических карт, чтобы понять движение и сенсорные явления. Декодирование этих сигналов в области нейронауки - это процесс, посредством которого нейроны понимают напряжения, которые были переданы им. Преобразования включают механизмы, с помощью которых сигналы определенной формы интерпретируются и затем переводятся в другую форму. Инженеры стремятся математически смоделировать эти преобразования. [6] Существует множество методов, используемых для записи этих сигналов напряжения. Они могут быть внутриклеточными или внеклеточными. Внеклеточные методы включают в себя одноблочные записи, внеклеточные полевые потенциалы и амперометрию; в последнее время для записи и имитации сигналов использовались многоэлектродные массивы .
Нейромеханика — это соединение нейробиологии, биомеханики, ощущений и восприятия, а также робототехники. [7] Исследователи используют передовые методы и модели для изучения механических свойств нервных тканей и их влияния на способность тканей выдерживать и генерировать силу и движения, а также их уязвимость к травматическим нагрузкам. [8] Эта область исследований фокусируется на переводе преобразований информации между нервно-мышечной и скелетной системами для разработки функций и правил управления, касающихся работы и организации этих систем. [9] Нейромеханику можно моделировать, соединяя вычислительные модели нейронных цепей с моделями тел животных, расположенных в виртуальных физических мирах. [7] Экспериментальный анализ биомеханики, включая кинематику и динамику движений, процесс и модели двигательной и сенсорной обратной связи во время процессов движения, а также схему и синаптическую организацию мозга, отвечающую за управление движением, в настоящее время исследуются для понимания сложности движения животных. Лаборатория доктора Мишель ЛаПлака в Технологическом институте Джорджии занимается изучением механического растяжения клеточных культур, деформации сдвига плоских клеточных культур и деформации сдвига матриц, содержащих 3D-клетки. Понимание этих процессов сопровождается разработкой функциональных моделей, способных характеризовать эти системы в условиях замкнутого цикла со специально определенными параметрами. Изучение нейромеханики направлено на улучшение лечения физиологических проблем со здоровьем, что включает оптимизацию конструкции протезов, восстановление движения после травмы, а также проектирование и управление мобильными роботами. Изучая структуры в 3D-гидрогелях, исследователи могут идентифицировать новые модели механосвойств нервных клеток. Например, ЛаПлака и др. разработали новую модель, показывающую, что деформация может играть роль в клеточной культуре. [10]
Нейромодуляция направлена на лечение заболеваний или травм путем использования технологий медицинских устройств, которые будут усиливать или подавлять активность нервной системы с помощью доставки фармацевтических агентов, электрических сигналов или других форм энергетического стимула для восстановления баланса в нарушенных областях мозга. Исследователи в этой области сталкиваются с проблемой связывания достижений в понимании нейронных сигналов с достижениями в технологиях доставки и анализа этих сигналов с повышенной чувствительностью, биосовместимостью и жизнеспособностью в схемах замкнутых контуров в мозге, так что могут быть созданы новые методы лечения и клинические приложения для лечения людей с нейронными повреждениями различных видов. [11] Устройства-нейромодуляторы могут корректировать дисфункцию нервной системы, связанную с болезнью Паркинсона, дистонией, тремором, синдромом Туретта, хронической болью, ОКР, тяжелой депрессией и, в конечном итоге, эпилепсией. [11] Нейромодуляция привлекательна в качестве лечения различных дефектов, поскольку она фокусируется на лечении только весьма специфических областей мозга, в отличие от системного лечения, которое может иметь побочные эффекты для организма. Нейромодуляторные стимуляторы, такие как микроэлектродные матрицы, могут стимулировать и регистрировать функции мозга, а при дальнейшем усовершенствовании они должны стать регулируемыми и чувствительными устройствами доставки лекарств и других стимулов. [12]
Нейронная инженерия и реабилитация применяют нейронауку и инженерию для исследования функций периферической и центральной нервной системы и поиска клинических решений проблем, вызванных повреждением или неисправностью мозга. Инженерия, применяемая к нейрорегенерации, фокусируется на инженерных устройствах и материалах, которые облегчают рост нейронов для конкретных применений, таких как регенерация повреждений периферических нервов, регенерация ткани спинного мозга при травмах спинного мозга и регенерация ткани сетчатки. Генная инженерия и тканевая инженерия — это области, разрабатывающие каркасы для спинного мозга, чтобы он мог снова расти, тем самым помогая решать неврологические проблемы. [11] [13]
Исследования, сосредоточенные на нейронной инженерии, используют устройства для изучения того, как функционирует и работает со сбоями нервная система. [13]
Методы нейровизуализации используются для исследования активности нейронных сетей, а также структуры и функции мозга. Технологии нейровизуализации включают функциональную магнитно-резонансную томографию (фМРТ), магнитно-резонансную томографию (МРТ), позитронно-эмиссионную томографию (ПЭТ) и компьютерную аксиальную томографию (КТ). Исследования функциональной нейровизуализации интересуются тем, какие области мозга выполняют определенные задачи. фМРТ измеряет гемодинамическую активность, которая тесно связана с нейронной активностью. Она используется для картирования метаболических реакций в определенных областях мозга на заданную задачу или стимул. ПЭТ, КТ-сканеры и электроэнцефалография (ЭЭГ) в настоящее время совершенствуются и используются для аналогичных целей. [11]
Ученые могут использовать экспериментальные наблюдения нейронных систем и теоретические и вычислительные модели этих систем для создания нейронных сетей с надеждой на моделирование нейронных систем максимально реалистичным образом. Нейронные сети могут использоваться для анализа, чтобы помочь спроектировать дальнейшие нейротехнологические устройства. В частности, исследователи занимаются аналитическим или конечно-элементным моделированием для определения контроля нервной системы за движениями и применяют эти методы для помощи пациентам с травмами или расстройствами головного мозга. Искусственные нейронные сети могут быть построены из теоретических и вычислительных моделей и реализованы на компьютерах из теоретических уравнений устройств или экспериментальных результатов наблюдаемого поведения нейронных систем. Модели могут представлять динамику концентрации ионов, кинетику каналов, синаптическую передачу, вычисления отдельных нейронов, метаболизм кислорода или применение теории динамических систем. [10] Сборка шаблонов на основе жидкости использовалась для проектирования трехмерных нейронных сетей из микроносителей с нейронными засеянными шариками. [14]
Нейронные интерфейсы являются основным элементом, используемым для изучения нейронных систем и улучшения или замены нейронной функции с помощью спроектированных устройств. Инженеры сталкиваются с проблемой разработки электродов, которые могут выборочно записывать из связанных электронных схем для сбора информации об активности нервной системы и стимулировать определенные области нервной ткани для восстановления функции или ощущения этой ткани (Cullen et al. 2011). Материалы, используемые для этих устройств, должны соответствовать механическим свойствам нервной ткани, в которую они помещены, и повреждение должно быть оценено. Нейронное взаимодействие включает временную регенерацию биоматериальных каркасов или хронических электродов и должно управлять реакцией организма на инородные материалы . Микроэлектродные массивы являются недавними достижениями, которые можно использовать для изучения нейронных сетей (Cullen & Pfister 2011). Оптические нейронные интерфейсы включают оптические записи и оптогенетику , делая определенные клетки мозга чувствительными к свету для модуляции их активности. Волоконная оптика может быть имплантирована в мозг, чтобы стимулировать или подавлять целевые нейроны с помощью света, а также регистрировать фотонную активность — косвенный показатель нейронной активности — вместо использования электродов. Микроскопия двухфотонного возбуждения может изучать живые нейронные сети и коммуникативные события между нейронами. [11]
Интерфейсы мозг-компьютер стремятся напрямую взаимодействовать с нервной системой человека для мониторинга и стимуляции нейронных цепей, а также диагностики и лечения внутренней неврологической дисфункции. Глубокая стимуляция мозга является значительным достижением в этой области, которая особенно эффективна при лечении двигательных расстройств, таких как болезнь Паркинсона, с высокочастотной стимуляцией нервной ткани для подавления тремора (Lega et al. 2011).
Нейронные микросистемы могут быть разработаны для интерпретации и доставки электрических, химических, магнитных и оптических сигналов в нервную ткань. Они могут обнаруживать изменения в мембранном потенциале и измерять электрические свойства, такие как популяция спайков, амплитуда или скорость, используя электроды или оценивая химические концентрации, интенсивность флуоресцентного света или потенциал магнитного поля. Цель этих систем — доставлять сигналы, которые будут влиять на потенциал нейронной ткани и, таким образом, стимулировать мозговую ткань, чтобы вызвать желаемую реакцию. [4]
Микроэлектродные матрицы — это специальные инструменты, используемые для обнаружения резких изменений напряжения во внеклеточной среде, которые происходят при распространении потенциала действия по аксону. Доктор Марк Аллен и доктор ЛаПлака изготовили микроэлектроды 3D из цитосовместимых материалов, таких как полимеры SU-8 и SLA, что привело к разработке систем микроэлектродов in vitro и in vivo с характеристиками высокой податливости и гибкости для минимизации разрушения тканей.
Нейропротезы — это устройства, способные дополнять или заменять отсутствующие функции нервной системы путем стимуляции нервной системы и регистрации ее активности. Электроды, измеряющие возбуждение нервов, могут интегрироваться с протезными устройствами и подавать им сигнал для выполнения функции, предусмотренной переданным сигналом. Сенсорные протезы используют искусственные датчики для замены нейронного ввода, который может отсутствовать в биологических источниках. [4] Инженеры, исследующие эти устройства, отвечают за обеспечение постоянного, безопасного, искусственного интерфейса с нейронной тканью. Возможно, самым успешным из этих сенсорных протезов является кохлеарный имплант , который восстановил слуховые способности глухих. Зрительный протез для восстановления зрительных способностей слепых людей все еще находится на более элементарных стадиях разработки. Двигательные протезы — это устройства, связанные с электрической стимуляцией биологической нейромышечной системы, которые могут заменить механизмы управления головного или спинного мозга. Умные протезы могут быть разработаны для замены отсутствующих конечностей, контролируемых нейронными сигналами, путем пересадки нервов из культи ампутанта в мышцы. Сенсорное протезирование обеспечивает сенсорную обратную связь, преобразуя механические стимулы с периферии в закодированную информацию, доступную нервной системе. [15] Электроды, размещенные на коже, могут интерпретировать сигналы, а затем управлять протезной конечностью. Эти протезы оказались очень успешными. Функциональная электростимуляция (ФЭС) — это система, направленная на восстановление двигательных процессов, таких как стояние, ходьба и хватание рукой. [11]
Нейроробототика — это изучение того, как нейронные системы могут быть воплощены и движения эмулированы в механических машинах. Нейророботы обычно используются для изучения управления моторикой и локомоции, обучения и выбора памяти, а также систем ценностей и выбора действий. Изучая нейророботов в реальных условиях, их легче наблюдать и оценивать для описания эвристики функций робота с точки зрения его встроенных нейронных систем и реакций этих систем на окружающую среду. [16] Например, используя вычислительную модель эпилектической динамики спайк-волн, уже была доказана эффективность метода для моделирования ослабления припадков с помощью псевдоспектрального протокола. Вычислительная модель эмулирует связь мозга с помощью магнитно-резонансной томографии у пациента с идиопатической генерализованной эпилепсией. Метод смог генерировать стимулы, способные уменьшить припадки.
Регенерация нервной ткани или нейрорегенерация направлена на восстановление функции нейронов, которые были повреждены при небольших травмах и более крупных травмах, таких как травмы, вызванные черепно-мозговой травмой. Функциональное восстановление поврежденных нервов включает в себя восстановление непрерывного пути для регенерации аксонов к месту иннервации. Такие исследователи, как доктор ЛаПлака из Технологического института Джорджии, стремятся помочь найти лечение для восстановления и регенерации после травматических повреждений головного мозга и спинного мозга , применяя стратегии тканевой инженерии. Доктор ЛаПлака изучает методы, сочетающие нейральные стволовые клетки с каркасом на основе белка внеклеточного матрикса для минимально инвазивной доставки в очаги неправильной формы, которые образуются после травматического инсульта. Изучая нейральные стволовые клетки in vitro и исследуя альтернативные источники клеток, разрабатывая новые биополимеры, которые можно было бы использовать в каркасе, и исследуя трансплантации клеточных или тканевых конструкций in vivo в моделях травматических повреждений головного и спинного мозга, лаборатория доктора ЛаПлака стремится определить оптимальные стратегии для регенерации нервов после травмы.
Хирургическое наложение швов «конец в конец» на поврежденные нервные окончания может восстановить небольшие разрывы с помощью аутологичных нервных трансплантатов. При более крупных травмах может использоваться аутологичный нервный трансплантат, взятый из другого места в организме, хотя этот процесс занимает много времени, является дорогостоящим и требует двух операций. [13] Клиническое лечение ЦНС доступно в минимальной степени и в основном направлено на уменьшение сопутствующего ущерба, вызванного фрагментами кости вблизи места травмы или воспаления. После того, как отек вокруг травмы уменьшается, пациенты проходят реабилитацию, чтобы оставшиеся нервы могли быть обучены для компенсации отсутствия нервной функции в поврежденных нервах. В настоящее время не существует лечения для восстановления нервной функции нервов ЦНС, которые были повреждены.
Инженерные стратегии восстановления спинномозговых повреждений направлены на создание благоприятной среды для регенерации нервов. До сих пор клинически возможным было только повреждение периферических нервов ПНС , но достижения в исследованиях генетических методов и биоматериалов демонстрируют потенциальную возможность регенерации нервов СК в допустимых условиях.
Преимущества аутологичных тканевых трансплантатов заключаются в том, что они изготавливаются из натуральных материалов, которые имеют высокую вероятность биосовместимости, обеспечивая при этом структурную поддержку нервов, что способствует адгезии и миграции клеток. [13] Неаутологичные ткани, бесклеточные трансплантаты и материалы на основе внеклеточного матрикса — все это варианты, которые также могут обеспечить идеальную основу для регенерации нервов . Некоторые из них изготавливаются из аллогенных или ксеногенных тканей, которые необходимо сочетать с иммунодепрессантами , в то время как другие включают в себя трансплантаты подслизистой оболочки тонкой кишки и амниотической ткани. Синтетические материалы являются привлекательными вариантами, поскольку их физические и химические свойства обычно можно контролировать. Проблема, которая остается с синтетическими материалами, — это биосовместимость . Было показано, что конструкции на основе метилцеллюлозы являются биосовместимым вариантом, служащим этой цели. [17] AxoGen использует технологию клеточной трансплантации AVANCE для имитации человеческого нерва. Было показано, что она обеспечивает значимое восстановление у 87 процентов пациентов с повреждениями периферических нервов. [18]
Каналы нервного наведения, нервный направляющий проводник — это инновационные стратегии, фокусирующиеся на более крупных дефектах, которые обеспечивают проводник для прорастания аксонов, направляя рост и уменьшая ингибирование роста рубцовой тканью. Каналы нервного наведения должны быть легко сформированы в проводник с желаемыми размерами, стерилизуемые, устойчивые к разрывам и простые в обращении и наложении швов. [13] В идеале они должны со временем разрушаться с регенерацией нервов, быть гибкими, полупроницаемыми, сохранять свою форму и иметь гладкую внутреннюю стенку, которая имитирует стенку настоящего нерва.
Для содействия регенерации нейронов необходимы высококонтролируемые системы доставки . Нейротрофические факторы могут влиять на развитие, выживание, рост и ветвление. Нейротрофины включают фактор роста нервов (NGF), нейротрофический фактор мозга (BDNF), нейротрофин-3 (NT-3) и нейротрофин-4/5 (NT-4/5). Другие факторы — это цилиарный нейротрофический фактор (CNTF), фактор роста, полученный из глиальных клеток (GDNF), а также кислый и основной фактор роста фибробластов (aFGF, bFGF), которые способствуют ряду нейронных реакций. [13] Также было показано, что фибронектин поддерживает регенерацию нервов после черепно-мозговой травмы у крыс. [19] Другие методы лечения изучают регенерацию нервов путем повышения регуляции генов, связанных с регенерацией (RAG), компонентов цитоскелета нейронов и факторов антиапоптоза. RAG включают GAP-43 и Cap-23, молекулы адгезии, такие как семейство L1 , NCAM и N-кадгерин . Также существует потенциал для блокирования ингибирующих биомолекул в ЦНС из-за глиального рубцевания. Некоторые изучаемые в настоящее время методы лечения включают хондроитиназу ABC и блокирование NgR, АДФ-рибозы. [13]
Устройства доставки должны быть биосовместимыми и стабильными in vivo. Некоторые примеры включают осмотические насосы, силиконовые резервуары, полимерные матрицы и микросферы. Методы генной терапии также изучались для обеспечения долгосрочного производства факторов роста и могут быть доставлены с помощью вирусных или невирусных векторов, таких как липоплексы. Клетки также являются эффективными средствами доставки для компонентов ECM, нейротрофических факторов и молекул клеточной адгезии. Клетки обонятельной оболочки (OEC) и стволовые клетки, а также генетически модифицированные клетки использовались в качестве трансплантатов для поддержки регенерации нервов. [10] [13] [19]
Продвинутые терапии объединяют сложные каналы наведения и множественные стимулы, которые фокусируются на внутренних структурах, которые имитируют архитектуру нерва, содержащую внутренние матрицы продольно выровненных волокон или каналов. Изготовление этих структур может использовать ряд технологий: выравнивание магнитных полимерных волокон, литье под давлением, разделение фаз, изготовление твердых свободных форм и струйная полимерная печать. [13]
Увеличение человеческих нейронных систем или улучшение человека с помощью инженерных методов — еще одно возможное применение нейроинженерии. Глубокая стимуляция мозга уже продемонстрировала улучшение памяти, как отметили пациенты, которые в настоящее время используют это лечение неврологических расстройств. Предполагается, что методы стимуляции мозга способны формировать эмоции и личности, а также усиливать мотивацию, снижать торможение и т. д. по желанию человека. Этические проблемы с таким видом человеческого улучшения — это новый набор вопросов, с которыми нейроинженерам приходится сталкиваться по мере развития этих исследований. [11]
