Нейротрофический электрод — это внутрикортикальное устройство, предназначенное для считывания электрических сигналов, которые мозг использует для обработки информации. Он состоит из небольшого полого стеклянного конуса, прикрепленного к нескольким электропроводящим золотым проводам. Термин «нейротрофический» означает «относящийся к питанию и поддержанию нервной ткани», а устройство получило свое название от того факта, что оно покрыто матригелем и фактором роста нервов , чтобы стимулировать расширение невритов через его кончик. [1] Он был изобретен неврологом доктором Филиппом Кеннеди и был успешно имплантирован впервые пациенту-человеку в 1996 году нейрохирургом Роем Бакаем. [2]
Жертвы синдрома «запертого внутри» когнитивно целы и осознают свое окружение, но не могут двигаться или общаться из-за почти полного паралича произвольных мышц. В ранних попытках вернуть некоторую степень контроля этим пациентам исследователи использовали корковые сигналы, полученные с помощью электроэнцефалографии (ЭЭГ), для управления курсором мыши. Однако ЭЭГ не хватает скорости и точности, которые можно получить с помощью прямого коркового интерфейса. [3]
Пациенты с другими двигательными заболеваниями, такими как боковой амиотрофический склероз и церебральный паралич , а также те, кто перенес тяжелый инсульт или травму спинного мозга, также могут получить пользу от имплантированных электродов. Кортикальные сигналы могут использоваться для управления роботизированными конечностями, поэтому по мере совершенствования технологии и снижения рисков процедуры прямое взаимодействие может даже оказать помощь ампутантам. [4]
Когда доктор Кеннеди проектировал электрод, он знал, что ему нужно устройство, которое будет беспроводным, биологически совместимым и способным к хронической имплантации. Первоначальные исследования с резус-макаками и крысами показали, что нейротрофический электрод способен к хронической имплантации в течение 14 месяцев (испытания на людях позже установили еще большую надежность). [5] Эта долговечность была бесценна для исследований, потому что, пока обезьяны обучались выполнению задачи, нейроны, которые изначально молчали, начинали активироваться по мере обучения выполнению задачи, явление, которое не наблюдалось бы, если бы электрод не был способен к длительной имплантации. [1]
Стеклянный конус имеет длину всего 1–2 мм и заполнен трофическими факторами , чтобы стимулировать рост аксонов и дендритов через его кончик и полое тело. Когда нейриты достигают заднего конца конуса, они воссоединяются с нейропилем на этой стороне, который закрепляет стеклянный конус на месте. В результате достигается стабильная и надежная долгосрочная запись. [6] Конус располагается кончиком около пятого слоя коры, среди тел клеток кортикоспинального тракта , и вставляется под углом 45° от поверхности, на глубину около 5 или 6 мм. [7]
Три или четыре золотых провода приклеены к внутренней стороне стеклянного конуса и выступают сзади. Они регистрируют электрическую активность аксонов, проросших через конус, и изолированы тефлоном . Провода свернуты так, чтобы снять напряжение, поскольку они встроены в кору с одного конца и прикреплены к усилителям, которые закреплены на внутренней стороне черепа, с другого. Два провода подключены к каждому усилителю для обеспечения дифференциальной сигнализации . [7]
Одной из самых сильных сторон нейротрофического электрода является его беспроводная возможность, поскольку без трансдермальной проводки риск заражения значительно снижается. Поскольку нейронные сигналы собираются электродами, они перемещаются по золотым проводам и через череп, где они передаются на биоусилители (обычно реализуемые дифференциальными усилителями ). Усиленные сигналы отправляются через переключатель на передатчик , где они преобразуются в сигналы FM и транслируются с помощью антенны. Усилители и передатчики питаются от индукционного сигнала 1 МГц, который выпрямляется и фильтруется. Антенна, усилители, аналоговые переключатели и передатчики FM содержатся в стандартной печатной плате поверхностного монтажа , которая находится прямо под кожей головы. Весь ансамбль покрыт защитными гелями, Parylene , Elvax и Silastic , чтобы сделать его биосовместимым и защитить электронику от жидкостей. [7]
На внешней стороне скальпа пациента располагается соответствующая индукционная катушка и антенна, которая посылает FM-сигнал на приемник . Эти устройства временно фиксируются на месте с помощью водорастворимой пасты. Приемник демодулирует сигнал и отправляет его на компьютер для сортировки спайков и записи данных. [7]
Большая часть нейротрофического электрода изготавливается вручную. Золотые провода обрезаются до нужной длины, сворачиваются в спираль, а затем сгибаются под углом 45° чуть выше точки контакта с конусом, чтобы ограничить глубину имплантации. Еще один изгиб в противоположном направлении добавляется там, где провода проходят через череп. С кончиков снимается тефлоновое покрытие, а те, что находятся дальше всего от конуса, припаиваются и затем запечатываются стоматологическим акрилом в компонентном разъеме. Стеклянный конус изготавливается путем нагревания и вытягивания стеклянного стержня до точки, а затем обрезки кончика до нужной длины. Другой конец не является прямым срезом, а скорее вырезан под углом, чтобы обеспечить полку, на которую можно прикрепить золотые провода. Затем провода помещаются на полку, и на них в несколько слоев наносится клей на основе метилметакрилата , при этом необходимо соблюдать осторожность, чтобы не покрыть проводящие кончики. Наконец, устройство стерилизуется с использованием газа глутаральдегида при низкой температуре и аэрируется. [7]
Один из пациентов доктора Кеннеди, Джонни Рэй, смог научиться управлять курсором компьютера с помощью нейротрофического электрода. Три отдельных нейронных сигнала от устройства были связаны с движением курсора по оси x, по оси y и функцией «выбора» соответственно. Движение в заданном направлении было вызвано увеличением частоты нейронной активности на соответствующем канале. [3]
Нейронные сигналы, полученные от другого пациента доктора Кеннеди, использовались для формулирования гласных звуков с помощью речевого синтезатора в реальном времени. Электронная установка была очень похожа на ту, что использовалась для курсора, с добавлением пост-приемника нейронного декодера и самого синтезатора. Исследователи имплантировали электрод в область двигательной коры, связанную с движением речевых артикуляторов, поскольку предоперационное фМРТ- сканирование показало там высокую активность во время задачи называния изображений. Средняя задержка от нейронной активации до выхода синтезатора составила 50 мс, что примерно равно задержке для неповрежденного биологического пути. [8]
Нейротрофический электрод, как описано выше, является беспроводным устройством и передает свои сигналы транскутанно. Кроме того, он продемонстрировал долговечность более четырех лет у пациента-человека, поскольку каждый компонент полностью биосовместим . Последние данные от запертого человека, имплантированного на 13 лет, ясно показывают отсутствие рубцов и множество миелинизированных нейрафиламентов (аксонов) [12] [9] Таким образом, вопрос долговечности нейротрофического электрода был решен. Для сравнения, электроды проволочного типа (матрица Юта) теряют сигнал в течение месяцев и лет: матрица Юта теряет 85% своих сигналов в течение 3 лет [13] , [10] поэтому ее нельзя рассматривать для долгосрочного использования человеком. Система ECOG теряет сигналы менее чем за 2 года [14] . [11] Многие новые типы электродов, такие как те, которые разрабатываются Neuralink, по-прежнему страдают от аналогичных проблем. Однако данные с металлических электродов очень полезны в краткосрочной перспективе и дали большой объем очень полезных данных в области компьютерных исследований мозга.
Однако нейротрофический электрод был ограничен в объеме информации, которую он мог предоставить, поскольку электроника, которую он использовал для передачи своего сигнала, требовала так много места на голове, что на черепе человека могли поместиться только четыре. [2] Со временем это становится менее важной проблемой по мере совершенствования технологии усилителей. Кроме того, небольшое количество электродов оказалось все еще полезным. На один электрод приходится около 20 отдельных единиц, и недавние результаты показывают, что один электрод с 23 отдельными единицами может декодировать слышимую и беззвучную речь, в частности, фоны, слова и фразы [15] . [12]
В качестве альтернативы, массив Юты в настоящее время является проводным устройством, но передает больше информации. Он был имплантирован человеку более двух лет назад и состоит из 100 проводящих кремниевых игольчатых электродов, поэтому он имеет высокое разрешение и может записывать данные со многих отдельных нейронов. [13] Нейротрофический электрод также имеет высокое разрешение, о чем свидетельствует важность медленно срабатывающих единиц, которые обычно игнорируются другими группами [16] . [14]
В одном эксперименте доктор Кеннеди адаптировал нейротрофический электрод для считывания локальных полевых потенциалов (LFP). Он продемонстрировал, что они способны управлять вспомогательными технологическими устройствами, предполагая, что для восстановления функциональности запертых пациентов можно использовать менее инвазивные методы. Однако исследование не рассматривало степень контроля, возможную с помощью LFP, и не проводило формального сравнения между LFP и активностью отдельного устройства. [15] Это было первое исследование, показавшее, что LFP можно использовать для управления устройством.
Электроэнцефалография (ЭЭГ) подразумевает размещение множества поверхностных электродов на коже головы пациента в попытке записать суммарную активность десятков тысяч или миллионов нейронов. ЭЭГ имеет потенциал для долгосрочного использования в качестве интерфейса мозг-компьютер , поскольку электроды могут оставаться на коже головы неограниченное время. Временное и пространственное разрешение и соотношение сигнал/шум ЭЭГ всегда отставали от аналогичных показателей сопоставимых внутрикортикальных устройств, но у нее есть преимущество в том, что она не требует хирургического вмешательства. [13]
Электрокортикография (ЭКоГ) регистрирует совокупную активность сотен или тысяч нейронов с помощью слоя электродов, размещенных непосредственно на поверхности мозга. Помимо того, что требуется хирургическое вмешательство и низкое разрешение, устройство ЭКоГ имеет проводное соединение, что означает, что скальп не может быть полностью закрыт, что увеличивает риск инфекции. Однако исследователи, изучающие ЭКоГ, утверждают, что сетка «обладает характеристиками, подходящими для долгосрочной имплантации». [13] Опубликованные ими данные указывают на потерю сигнала в течение двух лет [14] .
Нейротрофический электрод не активен сразу после имплантации, поскольку аксоны должны прорасти в конус, прежде чем устройство сможет воспринимать электрические сигналы. Исследования показали, что рост ткани в основном завершается уже через месяц после процедуры, но для стабилизации требуется до четырех месяцев. [1] Четырехмесячная задержка не является недостатком, если учесть продолжительность жизни запертого человека, который ожидает, что снова сможет двигаться или говорить.
Риски, связанные с имплантацией, те же, что обычно связаны с операциями на мозге, а именно, возможность кровотечения, инфекции, судорог, инсульта и повреждения мозга. Пока технология не достигнет такого уровня, что эти риски будут значительно снижены, процедура будет зарезервирована для экстремальных или экспериментальных случаев. [2] Только у одного из шести пациентов Neural Signals, самого доктора Кеннеди, были какие-либо осложнения. Он пережил кратковременный эпизод фокальных двигательных судорог и отек мозга, приведший к временной слабости на контралатеральной стороне тела. [16]
Когда в 1998 году был имплантирован Джонни Рэй, один из нейротрофических электродов начал подавать прерывистый сигнал после того, как он закрепился в нейропиле, и в результате доктор Кеннеди был вынужден полагаться на оставшиеся устройства. Это было связано с проблемой с электроникой, а НЕ с электродом. [3] Поэтому, даже если нет никаких осложнений от операции, все равно есть вероятность, что электроника выйдет из строя. Электронику легко заменить. Кроме того, хотя сами имплантаты заключены в череп и поэтому относительно защищены от физических повреждений, электроника снаружи черепа под кожей головы уязвима. Двое пациентов доктора Кеннеди случайно нанесли повреждения во время спазмов, но в обоих случаях нужно было заменить только внешние устройства. [7]
По состоянию на ноябрь 2010 года доктор Кеннеди работал над применением электрода для синтеза речи, но планирует расширить его применение на множество различных областей, одной из которых является восстановление движения с помощью нейропротезирования . [2]
Безмолвная речь — это «обработка речи при отсутствии внятного акустического сигнала», которая в первую очередь используется как помощь для запертого человека. Безмолвная речь была успешно декодирована [12] . Вторичная цель — использовать слышимую или безмолвную речь как «мобильный телефон под черепом с электродами, входящими в речевую двигательную кору», т. е. как потребительский товар. По словам Фила Кеннеди,
Читатель может отшатнуться от такой идеи. Но позвольте мне объяснить. Подумайте обо всех преимуществах наличия постоянно доступного личного мобильного телефона в вашем теле. А именно: «Мне нужно связаться с тем-то и тем-то, мне нужно задать вопрос Siri, мне нужно получить доступ к облаку и получить информацию, мне нужно выполнить расчет с использованием доступа к облаку, мне нужно использовать Интернет, мне нужно узнать, как идут мои акции, мне нужно узнать, где находятся мои дети, я упал и мне нужно связаться с EMS и так далее. Я могу отправить им сообщение или позвонить им просто мысленно, не нужно искать свой телефон и нажимать на него». Мобильный телефон под кожей головы обойдет этот шаг. Он будет обеспечивать непрерывную связь по желанию и может быть отключен по желанию. Кроме того, стоит вспомнить, что история показывает, что люди не будут избегать устройств, которые для них незаметны, то есть имплантированных под кожу или кожу головы. Вспомните, как сначала отказались от кардиостимуляторов, потому что они были громоздкими и их приходилось носить вне тела. Теперь они полностью имплантируются и регулярно назначаются пациентам. На мой взгляд, такое неприятное развитие событий также неизбежно.
Итак, мой прогноз таков: от помощи нуждающимся людям мы перейдем к помощи людям с помощью потребительского продукта. Аналогично, если нуждающиеся люди — это хвост собаки (вся собака — это все человечество), то вместо того, чтобы собака виляла хвостом, хвост будет вилять собакой!