Нейропротезирование - Neuroprosthetics

Нейропротезирование (также называемый нервное протезирование) - дисциплина, связанная с нейробиология и биомедицинская инженерия озабочены развитием нейронной протезы. Иногда их противопоставляют интерфейс мозг-компьютер, который соединяет мозг с компьютером, а не с устройством, предназначенным для замены отсутствующих биологических функций.[1]

Нервные протезы - это серия устройств, которые могут заменить двигательные, сенсорные или когнитивные функции, которые могли быть повреждены в результате травмы или заболевания. Кохлеарные имплантаты приведу пример таких устройств. Эти устройства заменяют функции, выполняемые барабанная перепонка и стремени при моделировании частотного анализа, выполненного в улитка. Микрофон на внешнем блоке собирает звук и обрабатывает его; обработанный сигнал затем передается на имплантированный блок, который стимулирует слуховой нерв через матрица микроэлектродов. Эти устройства предназначены для улучшения качества жизни людей с ограниченными возможностями за счет замены или усиления поврежденных органов чувств.

Эти имплантируемые устройства также обычно используются в экспериментах на животных в качестве инструмента, помогающего нейробиологам лучше понять мозг и его функционирование. Путем беспроводного мониторинга электрических сигналов мозга, посылаемых электродами, имплантированными в мозг субъекта, можно изучать объект без влияния устройства на результаты.

Точное зондирование и запись электрических сигналов в головном мозге поможет лучше понять отношения между местной популяцией нейронов, которые отвечают за определенную функцию.

Нервные имплантаты должны быть как можно меньше, чтобы быть минимально инвазивными, особенно в областях, окружающих мозг, глаза или улитку. Эти имплантаты обычно обмениваются данными со своими протезными аналогами по беспроводной сети. Кроме того, в настоящее время питание поступает через беспроводная передача энергии через кожу. Ткань, окружающая имплант, обычно очень чувствительна к повышению температуры, а это означает, что потребление энергии должно быть минимальным, чтобы предотвратить повреждение ткани.[2]

В настоящее время наиболее распространенным нейропротезом является кохлеарный имплант, по состоянию на 2012 г. во всем мире их использовали более 300 000 штук..[3]

История

Первый известный кохлеарный имплант был создан в 1957 году. Среди других важных событий - первый моторный протез для падение ноги в гемиплегия в 1961 г. первый слуховой имплант ствола мозга в 1977 году и мост периферического нерва имплантирован в спинной мозг взрослой крысы в ​​1981 г. В 1988 г. имплантат переднего корня поясницы и функциональная электростимуляция (FES) способствовал стоянию и ходьбе, соответственно, для группы параплегики.[4]

Что касается разработки электродов, имплантированных в мозг, на начальном этапе трудность заключалась в том, чтобы надежно определить местонахождение электродов. Первоначально это было сделано путем введения электродов с иглами и отламывания игл на желаемой глубине. В последних системах используются более совершенные датчики, такие как те, что используются в глубокая стимуляция мозга чтобы облегчить симптомы болезнь Паркинсона. Проблема с любым подходом заключается в том, что мозг свободно плавает в черепе, а зонд - нет, и относительно незначительные удары, такие как автомобильная авария на малой скорости, потенциально опасны. Некоторые исследователи, такие как Кенсалл Уайз из университет Мичигана, предложили привязать «электроды для установки на внешней поверхности мозга» к внутренней поверхности черепа. Однако даже в случае успеха модем не решит проблему в устройствах, которые должны быть вставлены глубоко в мозг, например, в случае глубокой стимуляции мозга (DBS).

Визуальное протезирование

Основная статья: Визуальный протез

Визуальный протез может создавать ощущение изображения, электрически стимулируя нейроны в зрительная система. Камера будет передавать на имплант по беспроводной сети, имплант будет отображать изображение на множестве электродов. Набор электродов должен эффективно стимулировать 600-1000 мест, стимулируя эти оптические нейроны в сетчатка таким образом создадим образ. Стимуляцию также можно проводить в любом месте на пути оптического сигнала. В зрительный нерв можно стимулировать, чтобы создать образ, или зрительная кора может быть стимулирован, хотя клинические испытания оказались наиболее успешными для имплантатов сетчатки.

Система визуального протеза состоит из внешней (или имплантируемой) системы визуализации, которая получает и обрабатывает видео. Внешний блок передает питание и данные на имплант по беспроводной сети. Имплант использует полученную мощность / данные для преобразования цифровых данных в аналоговый выход, который будет доставляться в нерв через микроэлектроды.

Фоторецепторы специализированные нейроны, которые преобразуют фотоны в электрические сигналы. Они являются частью сетчатка, многослойная нейронная структура толщиной около 200 мкм, выстилающая заднюю часть глаз. Обработанный сигнал отправляется в мозг через зрительный нерв. Если какая-либо часть этого пути повреждена слепота может случиться.

Слепота может возникнуть в результате повреждения оптический путь (роговица, скользкий юмор, хрусталик, и стекловидное тело ). Это может произойти в результате несчастного случая или болезни. Двумя наиболее распространенными дегенеративными заболеваниями сетчатки, которые приводят к слепоте вследствие потери фоторецепторов, являются: возрастная дегенерация желтого пятна (AMD) и пигментный ретинит (RP).

Первым клиническим испытанием постоянно имплантированного протеза сетчатки было устройство с пассивной микрофотодиодной матрицей с 3500 элементами.[5] Это испытание было проведено в Optobionics, Inc. в 2000 году. В 2002 году Медицинские товары Second Sight, Inc. (Сильмар, Калифорния) начала испытания прототипа эпиретинального имплантата с 16 электродами. Испытуемыми были шесть человек с вторичным по отношению к РП восприятием чистого света. Испытуемые продемонстрировали свою способность различать три обычных объекта (тарелку, чашку и нож) на уровнях, статистически превышающих шанс. Активное субретинальное устройство, разработанное Retina Implant GMbH (Ройтлинген, Германия), начало клинические испытания в 2006 году. Под сетчатку была имплантирована ИС с 1500 микрофотодиодами. Микрофотодиоды служат для модуляции импульсов тока в зависимости от количества света, падающего на фотодиод.[6]

Основополагающая экспериментальная работа по разработке визуальных протезов была проведена путем стимуляции коры головного мозга с использованием сетки из электродов с большой поверхностью. В 1968 г. Джайлз Бриндли имплантировали 80-электродный прибор на зрительную кортикальную поверхность слепой женщины 52 лет. В результате стимуляции пациент мог видеть фосфены в 40 различных положениях поля зрения.[7] Этот эксперимент показал, что имплантированный электростимулятор может восстановить некоторую степень зрения. Недавние исследования в области протезирования зрительной коры головного мозга позволили оценить эффективность стимуляции зрительной коры головного мозга у приматов, кроме человека. В этом эксперименте после процесса обучения и картирования обезьяна может выполнять одну и ту же задачу визуальной саккады как со световой, так и с электрической стимуляцией.

Требования к протезу сетчатки высокого разрешения должны исходить из потребностей и желаний слепых людей, которым это устройство принесет пользу. Взаимодействие с этими пациентами показывает, что мобильность без трости, распознавание лиц и чтение являются основными необходимыми способностями.[8]

Результаты и последствия полностью функциональных визуальных протезов впечатляют. Однако проблемы серьезны. Чтобы изображение хорошего качества отображалось на сетчатке, необходимо большое количество микромасштабных электродных матриц. Кроме того, качество изображения зависит от того, сколько информации может быть отправлено по беспроводной связи. Кроме того, этот большой объем информации должен приниматься и обрабатываться имплантатом без значительного рассеивания мощности, которое может повредить ткани. Размер имплантата также вызывает большое беспокойство. Любой имплантат должен быть минимально инвазивным.[8]

Используя эту новую технологию, несколько ученых, в том числе Карен Моксон из Дрексель, Джон Чапин в SUNY, и Мигель Николелис в Университет Дьюка, начал исследования по созданию сложного визуального протеза. Другие ученые[ВОЗ? ] не согласились с направленностью своего исследования, утверждая, что фундаментальные исследования и конструкция густонаселенной микроскопической проволоки не были достаточно сложными для продолжения.

Слуховое протезирование

Основные статьи: кохлеарный имплант и слуховой имплант ствола мозга

(Для получения звука)

Кохлеарные имплантаты (CIs), слуховой мозговой ствол имплантаты (ABI) и слуховые средний мозг Имплантаты (AMI) - это три основные категории слуховых протезов. Массивы электродов CI имплантируются в улитку, электроды ABI стимулируют комплекс ядра улитки в нижних отделах. мозговой ствол, а AMI стимулирует слуховые нейроны в нижний бугорок. Кохлеарные имплантаты оказались очень успешными среди этих трех категорий. Сегодня Advanced Bionics Corporation, Cochlear Corporation и Med-El Corporation являются основными коммерческими поставщиками улитковых имплантатов.

В отличие от традиционных слуховых аппаратов, которые усиливают звук и посылают его через внешнее ухо, кохлеарные имплантаты улавливают и обрабатывают звук и преобразуют его в электрическую энергию для последующей доставки в слуховой нерв. Микрофон системы CI принимает звук из внешней среды и отправляет его на процессор. Процессор оцифровывает звук и фильтрует его в отдельные полосы частот, которые отправляются в соответствующую тонотоническую область в улитка что примерно соответствует этим частотам.

В 1957 году французские исследователи А. Джурно и К. Эйри с помощью Д. Кайзера впервые подробно описали прямую стимуляцию слухового нерва у человека.[9] Люди рассказали, что слышали чирикающие звуки во время симуляции. В 1972 году первая портативная система кохлеарной имплантации взрослому человеку была имплантирована в House Ear Clinic. Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (FDA) официально одобрило маркетинг кохлеарного имплантата House-3M в ноябре 1984 года.[10]

Повышение эффективности кохлеарного имплантата зависит не только от понимания физических и биофизических ограничений стимуляции имплантата, но и от понимания требований обработки паттернов головным мозгом. Современное обработка сигналов представляет наиболее важную речевую информацию, а также обеспечивает мозг распознавание образов информация, которая ему нужна. Распознавание образов в мозге более эффективно, чем алгоритмическая предварительная обработка, для определения важных особенностей речи. Сочетание инженерии, обработки сигналов, биофизика, и когнитивная нейробиология было необходимо произвести правильный баланс технологий, чтобы максимизировать производительность слухового протеза.[11]

Кохлеарные имплантаты также использовались для обеспечения развития разговорной речи у врожденно глухих детей с заметным успехом при ранней имплантации (до достижения 2–4 лет жизни).[12] Во всем мире имплантировали около 80 000 детей.

Концепция сочетания одновременной электроакустической стимуляции (EAS) для улучшения слуха была впервые описана К. фон Ильбергом и Дж. Кифером из Университета Франкфурта, Германия, в 1999 году.[13] В том же году был имплантирован первый пациент EAS. С начала 2000-х годов FDA участвовало в клинических испытаниях устройства, названного «Гибрид» корпорацией Cochlear. Это исследование направлено на изучение эффективности имплантации улитки у пациентов с остаточным низкочастотным слухом. «Гибрид» использует более короткий электрод, чем стандартный улитковый имплант, поскольку электрод короче, он стимулирует базиликовую область улитки и, следовательно, высокочастотную тонотопическую область. Теоретически эти устройства могут быть полезны пациентам со значительным остаточным слухом на низких частотах, которые потеряли восприятие в диапазоне частот речи и, следовательно, имеют пониженные показатели дискриминации.[14]

Для получения звука см. Синтез речи.

Протезирование для снятия боли

Основная статья: Стимулятор спинного мозга

Устройство SCS (Spinal Cord Stimulator) состоит из двух основных компонентов: электрода и генератора. Техническая цель SCS для невропатическая боль заключается в том, чтобы замаскировать область боли пациента покалыванием, вызванным стимуляцией, известным как "парестезия «, потому что такое перекрытие необходимо (но не достаточно) для облегчения боли.[15] Покрытие парестезии зависит от афферентные нервы стимулируются. Наиболее легко нанимается спинной электрод средней линии, близко к пиальной поверхности спинной мозг, большие спинной столб афференты, которые вызывают широкие парестезии, покрывающие каудально сегменты.

В древности электрогенный Рыбу использовали как шокер, чтобы снять боль. Целители разработали конкретные и подробные методы использования воспроизводящих качеств рыб для лечения различных типов боли, включая головную. Из-за неудобства использования живого шокового генератора требовался изрядный уровень навыков, чтобы доставить терапию к цели в течение надлежащего периода времени. (Включая поддержание жизни рыб как можно дольше). Электроанальгезия была первым преднамеренным применением электричества. К XIX веку большинство западных врачей предлагали своим пациентам электротерапия поставляется переносным генератором.[16] Однако в середине 1960-х годов три вещи объединились, чтобы обеспечить будущее электростимуляции.

  1. Кардиостимулятор Технология, начавшаяся в 1950 году, стала доступной.
  2. Мелзак и Уолл опубликовали свои теория управления воротами боли, который предположил, что передача боли может быть заблокирована стимуляцией крупных афферентных волокон.[17]
  3. Врачи-новаторы заинтересовались стимуляцией нервной системы, чтобы избавить пациентов от боли.

Варианты конструкции электродов включают в себя их размер, форму, расположение, количество и назначение контактов, а также способ имплантации электрода. генератор импульсов включают источник питания, целевое анатомическое место размещения, источник тока или напряжения, частоту импульсов, ширину импульса и количество независимых каналов. Вариантов программирования очень много (четырехконтактный электрод предлагает 50 функциональных биполярных комбинаций). В современных устройствах используется компьютеризированное оборудование, чтобы найти наилучшие варианты использования. Эта опция перепрограммирования компенсирует изменения осанки, миграцию электродов, изменения локализации боли и неоптимальное размещение электродов.[18]

Моторное протезирование

Устройства, поддерживающие функцию автономная нервная система включить имплант для контроля мочевого пузыря. В соматической нервной системе попытки помочь сознательному контролю движения включают: Функциональная электростимуляция и стимулятор переднего корня поясницы.

Имплантаты для контроля мочевого пузыря

Основная статья: Стимулятор переднего крестцового корня

Когда поражение спинного мозга приводит к параплегии, пациенты испытывают трудности с опорожнением мочевого пузыря, и это может вызвать инфекцию. С 1969 года Бриндли разработал стимулятор переднего крестцового корешка, и с начала 1980-х годов он успешно прошел испытания на людях.[19] Это устройство имплантируется над крестцовыми передними корневыми ганглиями спинного мозга; управляемый внешним передатчиком, он обеспечивает периодическую стимуляцию, которая улучшает опорожнение мочевого пузыря. Он также помогает при дефекации и позволяет пациентам-мужчинам иметь стойкую полную эрекцию.

Связанная с этим процедура стимуляции крестцового нерва предназначена для контроля недержания мочи у здоровых пациентов.[20]

Моторное протезирование для сознательного контроля движений

Основная статья: Интерфейс мозг – компьютер

В настоящее время исследователи изучают и создают моторные нейропротезы, которые помогут восстановить движение и способность общаться с внешним миром людям с двигательными нарушениями, например: тетраплегия или же боковой амиотрофический склероз. Исследования показали, что полосатое тело играет решающую роль в моторном сенсорном обучении. Это было продемонстрировано в эксперименте, в котором скорость активации полосатого тела у лабораторных крыс регистрировалась с большей частотой после последовательного выполнения задачи.

Чтобы улавливать электрические сигналы мозга, ученые разработали микроэлектрод 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 нейронный сигналы в движения. Завершив перевод, исследователи создали интерфейсы, позволяющие пациентам перемещать компьютерные курсоры, и начали создавать роботизированные конечности и экзоскелеты, которыми пациенты могут управлять, думая о движении.

Технология моторных нейропротезов все еще находится в зачаточном состоянии. Исследователи и участники исследования продолжают экспериментировать с различными способами использования протезы. Например, когда пациент думает о сжатии кулака, результат отличается от того, когда он или она думает о постукивании пальцем. Фильтры, используемые в протезах, также дорабатываются, и в будущем врачи надеются создать имплант, способный передавать сигналы изнутри черепа. без проводов, а не через кабель.

До этих достижений Филип Кеннеди (Эмори и Технологический институт Джорджии ) имел работоспособную, хотя и несколько примитивную систему, которая позволяла человеку с параличом произносить слова по буквам, изменяя их мозговую активность. Устройство Кеннеди использовало два нейротрофические электроды: первый был имплантирован в неповрежденную моторную кортикальную область (например, область представления пальца) и использовался для перемещения курсора среди группы букв. Второй был имплантирован в другой моторный регион и использовался для обозначения выбора.[21]

Продолжаются разработки по замене потерянных рук кибернетическими заменами с использованием нервов, обычно связанных с грудными мышцами. Эти руки допускают немного ограниченный диапазон движений и, как сообщается, оснащены датчиками для определения давления и температуры.[22]

Доктор Тодд Куикен из Северо-Западного университета и Института реабилитации Чикаго разработал метод под названием целенаправленная реиннервация для инвалида, чтобы управлять моторизованными протезами и восстановить сенсорную обратную связь.

В 2002 г. Многоэлектродная матрица из 100 электроды, который теперь составляет сенсорную часть Braingate, был имплантирован прямо в срединный нерв волокна ученого Кевин Уорвик. Записанные сигналы использовались для управления рука робота разработан коллегой Уорвика, Питер Киберд и смог имитировать действия собственной руки Уорвика.[23] Кроме того, через имплант был обеспечен некоторая сенсорная обратная связь путем пропускания небольших электрических токов в нерв. Это вызвало сокращение первых червячная мышца руки, и именно это движение было воспринято.[23]

В июне 2014 года Джулиано Пинто, атлет, страдающий параличом нижних конечностей, выполнил церемониальный первый удар в 2014 Чемпионат мира по футболу с помощью экзоскелета с питанием от мозга.[24] Экзоскелет был разработан в рамках проекта Walk Again в лаборатории Мигеля Николелиса, финансируемого правительством Бразилии.[24] Николелис говорит, что обратная связь с замененными конечностями (например, информация о давлении, испытываемом протезом стопы, касающимся земли) необходима для равновесия.[25] Он обнаружил, что до тех пор, пока люди могут видеть, как конечности, управляемые интерфейсом мозга, движутся одновременно с выдачей команды на это, при повторном использовании мозг ассимилирует конечность с внешним питанием и начинает ее воспринимать ( с точки зрения осведомленности о положении и обратной связи) как часть тела.[25]

Техники ампутации

MIT Biomechatronics Group разработала новую парадигму ампутации, которая позволяет биологическим мышцам и миоэлектрическим протезам взаимодействовать нейронно с высокой надежностью. Эта хирургическая парадигма, называемая мионевральным интерфейсом агонистов-антагонистов (AMI), предоставляет пользователю возможность ощущать и контролировать свою протезную конечность как продолжение своего собственного тела, а не использовать протез, который просто напоминает придаток. В нормальных отношениях пары мышц-агонистов и антагонистов (например, двуглавая-трицепс), когда мышца-агонист сокращается, мышца-антагонист растягивается, и наоборот, что дает человеку информацию о положении своей конечности, даже не глядя на нее. . Во время стандартной ампутации мышцы-агонисты-антагонисты (например, двуглавой и трехглавой мышцы) изолированы друг от друга, что препятствует возникновению динамического механизма расширения контракта, который генерирует сенсорную обратную связь. Следовательно, нынешние инвалиды не имеют возможности почувствовать физическую среду, с которой сталкивается их протез. Более того, при нынешней операции по ампутации, которая проводится уже более 200 лет, 1/3 пациентов подвергаются повторным операциям из-за боли в культях.

ОИМ состоит из двух мышц, которые изначально разделяли отношения агонист-антагонист. Во время операции по ампутации эти две мышцы механически соединяются вместе внутри ампутированной культи.[26] Одна пара мышц AMI может быть создана для каждой степени свободы сустава пациента, чтобы установить контроль и ощущения нескольких протезных суставов. При предварительном тестировании этого нового нейроинтерфейса пациенты с ОИМ продемонстрировали и сообщили о большем контроле над протезом. Кроме того, при ходьбе по лестнице наблюдалось более естественное рефлексивное поведение по сравнению с пациентами с традиционной ампутацией.[27] ОИМ также можно создать путем комбинации двух деваскуляризованных мышечных трансплантатов. Эти мышечные трансплантаты (или лоскуты) представляют собой запасную мышцу, которая денервирована (отделяется от исходных нервов) и удаляется из одной части тела, чтобы быть повторно иннервируемой поврежденными нервами, обнаруженными в конечности, подлежащей ампутации.[26] Благодаря использованию регенерированных мышечных лоскутов, ОИМ можно создать для пациентов с мышечной тканью, которая испытала крайнюю атрофию или повреждение, или для пациентов, которым предстоит ревизия ампутированной конечности по таким причинам, как боль в невроме, костные шпоры и т. Д.

Препятствия

Математическое моделирование

Точная характеристика параметров нелинейного ввода / вывода (I / O) нормально функционирующей ткани, подлежащей замене, имеет первостепенное значение при разработке протеза, который имитирует нормальные биологические синаптические сигналы.[28][29] Математическое моделирование этих сигналов является сложной задачей "из-за нелинейной динамики, присущей клеточным / молекулярным механизмам, включающим нейроны и их синаптические связи".[30][31][32] Выход почти всех нейронов мозга зависит от того, какие постсинаптические входы активны и в каком порядке они принимаются. (пространственные и временные свойства соответственно).[33]

После того, как параметры ввода / вывода смоделированы математически, интегральные схемы предназначены для имитации нормальных биологических сигналов. Чтобы протез функционировал как нормальная ткань, он должен обрабатывать входные сигналы - процесс, известный как трансформация, так же, как и нормальные ткани.

Размер

Имплантируемые устройства должны быть очень маленькими, чтобы имплантироваться прямо в мозг, примерно размером с четверть. Одним из примеров микроимплантируемой электродной матрицы является матрица Юта.[34]

Устройства беспроводного управления могут быть установлены вне черепа и должны быть меньше пейджера.

Потребляемая мощность

Потребляемая мощность определяет размер батареи. Оптимизация имплантированных схем снижает потребность в энергии. Имплантированным устройствам в настоящее время требуются бортовые источники питания. Как только батарея разрядится, потребуется хирургическое вмешательство для замены блока. Более продолжительное время работы от батарей коррелирует с меньшим количеством операций, необходимых для замены батарей. Один из вариантов, который можно использовать для зарядки батарей имплантата без хирургического вмешательства или проводов, используется в зубных щетках с электроприводом.[35] Эти устройства используют индуктивная зарядка для подзарядки батарей. Другая стратегия - преобразовать электромагнитную энергию в электрическую, как в определение радиочастоты теги.

Биосовместимость

Когнитивные протезы имплантируются прямо в мозг, поэтому биосовместимость является очень важным препятствием, которое необходимо преодолеть.Материалы, используемые в корпусе устройства, материал электрода (например, оксид иридия[36]), а изоляция электрода должна быть выбрана для долгосрочной имплантации. Соответствует стандартам: ISO 14708-3 2008-11-15, Имплантаты для хирургии - Активные имплантируемые медицинские устройства. Часть 3: Имплантируемые нейростимуляторы.

Пересекая гематоэнцефалический барьер могут вводить патогены или другие материалы, которые могут вызвать иммунный ответ. У мозга есть своя иммунная система, которая действует иначе, чем иммунная система остального тела.

Вопросы для ответа: Как это влияет на выбор материала? Есть ли в мозге уникальные фаги, которые действуют по-другому и могут влиять на материалы, которые считаются биосовместимыми в других частях тела?

Передача данных

Беспроводная передача данных разрабатывается, чтобы обеспечить непрерывную запись нейронных сигналов людей в их повседневной жизни. Это позволяет врачам и клиницистам собирать больше данных, обеспечивая возможность регистрации краткосрочных событий, таких как эпилептические припадки, что позволяет лучше лечить и характеризовать невральные заболевания.

В Стэнфордском университете было разработано небольшое и легкое устройство, позволяющее постоянно регистрировать нейроны мозга приматов.[37] Эта технология также позволяет нейробиологам изучать мозг вне контролируемой среды лаборатории.

Методы передачи данных между нейронным протезом и внешними системами должны быть надежными и безопасными. Беспроводные нейронные имплантаты могут иметь то же самое информационная безопасность уязвимости как и любые другие ЭТО система, в результате чего возник термин нейробезопасность. Нарушение нейробезопасности можно рассматривать как нарушение медицинская конфиденциальность.

Правильная имплантация

Имплантация устройства представляет множество проблем. Во-первых, правильные пресинаптические входы должны быть подключены к правильным постсинаптическим входам на устройстве. Во-вторых, выходные сигналы устройства должны быть правильно нацелены на желаемую ткань. В-третьих, мозг должен научиться пользоваться имплантатом. Различные исследования в пластичность мозга предполагают, что это возможно с помощью упражнений, разработанных с должной мотивацией.

Задействованные технологии

Потенциалы местного поля

Потенциалы местного поля (LFP) находятся электрофизиологический сигналы, относящиеся к сумме всех дендритный синаптическая активность в объеме ткани. Недавние исследования показывают, что цели и ожидаемая ценность - это когнитивные функции высокого уровня, которые можно использовать для нейронных когнитивных протезов.[38]Кроме того, ученые из Университета Райса открыли новый метод настройки индуцированных светом колебаний наночастиц за счет небольших изменений поверхности, к которой прикреплены частицы. По заявлению 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.[39]

Автоматические подвижные электрические зонды

Одно препятствие, которое необходимо преодолеть, - это долговременная имплантация электродов. Если электроды перемещаются в результате физического удара или мозг перемещается относительно положения электродов, электроды могут регистрировать различные нервы. Регулировка электродов необходима для поддержания оптимального сигнала. Индивидуальная настройка множества электродов - очень утомительный и трудоемкий процесс. Разработка автоматически регулируемых электродов решила бы эту проблему. Группа Андерсона в настоящее время сотрудничает с лабораторией Ю-Чонг Тая и лабораторией Бёрдика (все в Калифорнийском технологическом институте), чтобы создать такую ​​систему, которая использует приводы на основе электролиза для независимой регулировки электродов в хронически имплантированном массиве электродов.[40]

Хирургические методы под визуальным контролем

Хирургия под визуальным контролем используется для точного позиционирования мозговых имплантатов.[38]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Крукофф, Макс О .; Рахимпур, Шервин; Slutzky, Marc W .; Эджертон, В. Реджи; Тернер, Деннис А. (01.01.2016). «Улучшение восстановления нервной системы с помощью нейробиологии, обучения нейронному интерфейсу и нейрореабилитации». Границы неврологии. 10: 584. Дои:10.3389 / fnins.2016.00584. ЧВК  5186786. PMID  28082858.
  2. ^ Дэниел Гаррисон (2007). «Минимизация теплового воздействия сенсоров тела in vivo». 4-й международный семинар по носимым и имплантируемым сенсорным сетям тела (BSN 2007). IFMBE Proceedings. 13. С. 284–289. Дои:10.1007/978-3-540-70994-7_47. ISBN  978-3-540-70993-0.
  3. ^ «Кохлеарные имплантаты». 2015-08-18.
  4. ^ Handa G (2006) "Нейронный протез - прошлое, настоящее и будущее" Индийский журнал физической медицины и реабилитации 17(1)
  5. ^ A. Y. Chow, V. Y. Chow, K. Packo, J. Pollack, G. Peyman и R. Schuchard, "Искусственный силиконовый микрочип сетчатки для лечения потери зрения из-за пигментного ретинита", Arch.Ophthalmol., Vol. 122, стр. 460, 2004 г.
  6. ^ М. Дж. МакМахон, А. Каспи, Дж. Д. Дорн, К. Х. МакКлюр, М. Хумаюн и Р. Гринберг, «Пространственное зрение у слепых субъектов, которым имплантирован протез сетчатки второго зрения», представленный на ARVO Annu. Встреча, Ft. Лодердейл, Флорида, 2007.
  7. ^ Дж. С. Бриндли и В. С. Левин, "Ощущения, вызываемые электрической стимуляцией зрительной коры", J. Physiol., Vol. 196, стр. 479, 1968 г.
  8. ^ а б Weiland JD, Humayun MS. 2008. Визуальный протез. Протоколы IEEE 96: 1076-84
  9. ^ Дж. К. Нипарко и B. W. Wilson, «История кохлеарных имплантатов», в Cochlear Implants: Principles and Practices. Филадельфия, Пенсильвания: Lippincott Williams & Wilkins, 2000, стр. 103–108.
  10. ^ W. F. House, Кохлеарные имплантаты: моя точка зрения
  11. ^ Файад Дж. Н., Отто С. Р., Шеннон Р. В., Бракманн Д. 2008. Кохлеарные и мозговые слуховые протезы «Нейроинтерфейс для восстановления слуха: кохлеарные и стволовые имплантаты». Протоколы IEEE 96: 1085-95
  12. ^ Крал А., О'Донохью GM. Глубокая глухота в детстве. New England J Medicine 2010: 363; 1438-50
  13. ^ В. Ильберг К., Кифер Дж., Тиллейн Дж., Пфеннигдорф Т., Хартманн Р., Штюрцебехер Э., Клинке Р. (1999). Электроакустическая стимуляция слуховой системы. ORL 61: 334-340.
  14. ^ Б. Дж. Ганц, К. Тернер и К. Э. Гфеллер, «Акустическая и электрическая обработка речи: предварительные результаты многоцентрового клинического испытания гибридного имплантата Iowa / Nucleus», Audiol. Neurotol., Vol. 11 (доп.), Стр. 63–68, 2006 г., Том 1
  15. ^ Р. Б. Норт, М. Е. Эвенд, М. А. Лоутон и С. Пиантадози, "Стимуляция спинного мозга при хронической, трудноизлечимой боли: превосходство" многоканальных "устройств," Боль, т. 4, вып. 2. С. 119–130, 1991.
  16. ^ Д. Фишлок, «Доктор вольт [электротерапия]», Инст. Избрать. Англ. Rev., т. 47, стр. 23–28, май 2001 г.
  17. ^ П. Мелзак и П. Д. Уолл, "Механизмы боли: новая теория", Наука, т. 150, нет. 3699, стр. 971–978, ноябрь 1965 г.
  18. ^ Север РБ. 2008. Устройства нейроинтерфейса: технология стимуляции спинного мозга. Протоколы IEEE 96: 1108–19
  19. ^ Бриндли Г.С., Полки CE, Раштон Д.Н. (1982): Стимулятор крестцового переднего корня для контроля мочевого пузыря при параплегии. Параплегия 20: 365-381.
  20. ^ Schmidt RA, Jonas A, Oleson KA, Janknegt RA, Hassouna MM, Siegel SW, van Kerrebroeck PE. Стимуляция крестцового нерва для лечения рефрактерного недержания мочи. Группа изучения крестцового нерва. Журнал Урол 1999 августа; 16 (2): 352-357.
  21. ^ Гэри Геттлинг. «Использование силы мысли». Архивировано из оригинал 14 апреля 2006 г.. Получено 22 апреля, 2006.
  22. ^ Дэвид Браун (14 сентября 2006 г.). "Вашингтон Пост". Получено 14 сентября, 2006.
  23. ^ а б Уорвик, К., Гассон, М., Хатт, Б., Гудхью, И., Киберд, П., Эндрюс, Б., Тедди, П. и Шад, А.: "Применение технологии имплантатов для кибернетических систем", Архив неврологии, 60 (10), стр 1369-1373, 2003 г.
  24. ^ а б 'Мы сделали это!' Управляемый мозгом костюм "Железного человека" открывает чемпионат мира по футболу
  25. ^ а б Связь мозг-мозг (аудио-интервью с доктором Мигелем Николелисом)
  26. ^ а б «На протезном контроле: мионевральный интерфейс регенеративного агониста-антагониста», "Science Robotics", 31 мая 2017 г.
  27. ^ «Проприоцепция от протеза нижней конечности с нейроуправлением», 'Science Translational Medicine', 30 мая 2018 г.
  28. ^ Бертаччини, Д., и Фанелли, С. (2009). Проблемы расчета и кондиционирования дискретной модели нейросенсорной гипоакузии улитки. [Статья]. Прикладная вычислительная математика, 59 (8), 1989-2001.
  29. ^ Мармарелис, В. З. (1993). ИДЕНТИФИКАЦИЯ НЕЛИНЕЙНЫХ БИОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЛАГЕРРОВСКИХ РАСШИРЕНИЙ ЯДЕР. [Статья]. Анналы биомедицинской инженерии, 21 (6), 573-589.
  30. ^ T.W. Бергер, Т. Харти, X. Се, Г. Баррионуево, Р.Дж. Sclabassi, "Моделирование нейронных сетей посредством экспериментальной декомпозиции", Proc. IEEE 34-й MidSymp. Cir. Sys., Монтерей, Калифорния, 1991, т. 1. С. 91–97.
  31. ^ T.W. Бергер, Дж. Шове и Р.Дж. Склабасси, "Биологически обоснованная модель функциональных свойств гиппокампа", Neural Netw., Vol. 7, вып. 6–7, стр. 1031–1064, 1994.
  32. ^ С.С. Далал, В.З. Мармарелис, Т. Бергер, «Нелинейная модель с положительной обратной связью глутаматергической синаптической передачи в зубчатой ​​извилине», Proc. 4-й совместный симпозиум по нейронным вычислениям, Калифорния, 1997, т. 7. С. 68–75.
  33. ^ Бергер, Т. В., Ахуджа, А., Куреллис, С. Х., Дедвайлер, С. А., Эринджиппурат, Г., Герхард, Г. А. и др. (2005). Восстановление утраченной когнитивной функции. Журнал IEEE Engineering in Medicine and Biology, 24 (5), 30-44.
  34. ^ Р. Бхандари, С. Неги, Ф. Сольцбахер (2010). «Изготовление пластин в масштабе проникающих нейронных электродов». Биомедицинские микроустройства. 12 (5): 797–807. Дои:10.1007 / s10544-010-9434-1. PMID  20480240.CS1 maint: использует параметр авторов (ссылка на сайт)
  35. ^ Квеку, Отчере (2017). «Беспроводное мобильное зарядное устройство с индуктивной связью». Международный журнал инженерии и передовых технологий. 7 (1): 84–99.
  36. ^ С. Неги, Р. Бхандари, Л. Рит, Р. В. Вагенен и Ф. Сольцбахер, «Деградация нервных электродов в результате непрерывной электрической стимуляции: сравнение распыленного и активированного оксида иридия», Journal of Neuroscience Methods, vol. 186, стр. 8-17, 2010.
  37. ^ HermesC: Беспроводная система нейронной записи с низким энергопотреблением для свободно движущихся приматов Chestek, CA; Гиля, В .; Nuyujukian, P .; Kier, R.J .; Solzbacher, F .; Ryu, S.I .; Harrison, R.R .; Шеной, К.В .; Нейронные системы и реабилитация, транзакции IEEE в томе 17, выпуске 4, август 2009 г. Стр .: 330 - 338.
  38. ^ а б Андерсен, Р. А., Бурдик, Дж. У., Мусаллам, С., Песаран, Б., и Чам, Дж. Г. (2004). Когнитивное нейронное протезирование. Тенденции в когнитивных науках, 8 (11), 486-493.
  39. ^ Инженер, Лондон, Соединенное Королевство, Centaur Communications Ltd., 2015, 8 мая.

дальнейшее чтение

  • Santhanam G, Ryu SI, Yu BM, Afshar A, Shenoy KV. 2006. Высокопроизводительный интерфейс мозг-компьютер. Природа 442: 195–8
  • Патил П.Г., Тернер Д.А. 2008. Разработка нейропротезных устройств с интерфейсом мозг-машина. Нейротерапия 5: 137–46
  • Лю В.Т., Хумаюн М.С., Лайкер М.А. 2008. Имплантируемые биомиметические системы микроэлектроники. Протоколы IEEE 96: 1073–4
  • Харрисон Р. 2008. Разработка интегральных схем для наблюдения за мозговой активностью. Протоколы IEEE 96: 1203–16
  • Эбботт А. 2006. Нейропротезирование: в поисках шестого чувства. Природа 442: 125–7
  • Веллисте М., Перель С., Сполдинг М.К., Уитфорд А.С., Шварц А.Б. (2008) «Кортикальный контроль протеза руки для самостоятельного кормления».Природа. 19;453(7198):1098–101.
  • Schwartz AB, Cui XT, Weber DJ, Moran DW «Интерфейсы, управляемые мозгом: восстановление движений с помощью нейронного протезирования». (2006) Нейрон 5;52(1):205–20
  • Santucci DM, Kralik JD, Lebedev MA, Nicolelis MA (2005) «Фронтальные и теменные кортикальные ансамбли предсказывают однократную мышечную активность во время движений по достижению у приматов».Eur J Neurosci. 22(6): 1529–1540.
  • Лебедев М.А., Кармена Дж. М., О'Догерти Дж. Э., Заксенхаус М., Энрикес К. С., Принсипи Дж. К., Николелис М. А. (2005) «Адаптация кортикального ансамбля для представления скорости искусственного исполнительного механизма, управляемого интерфейсом мозг-машина».J Neurosci. 25: 4681–4893.
  • Nicolelis MA (2003) "Интерфейсы мозг-машина для восстановления двигательной функции и проверки нейронных цепей". Nat Rev Neurosci. 4: 417–422.
  • Wessberg J, Stambaugh CR, Kralik JD, Beck PD, Laubach M, Chapin JK, Kim J, Biggs SJ, Srinivasan MA, Nicolelis MA. (2000) «Прогнозирование траектории руки в реальном времени ансамблями корковых нейронов у приматов».Природа 16: 361–365.

внешняя ссылка