Кортикальный имплант - Cortical implant

А кортикальный имплант это подмножество нейропротезирование что находится в прямой связи с кора головного мозга из мозг. Путем прямого взаимодействия с различными областями коры кортикальный имплант может стимулировать непосредственную область и обеспечивать различные преимущества в зависимости от его конструкции и размещения. Типичный кортикальный имплантат - это имплантируемый матрица микроэлектродов, которое представляет собой небольшое устройство, с помощью которого можно принимать или передавать нейронный сигнал.

Цель кортикального имплантата и нейропротеза в целом - «заменить нейронные цепи в мозге, которые больше не функционируют должным образом».[1]

Обзор

Кортикальные имплантаты имеют широкий спектр потенциальных применений: от восстановления зрения до слепых пациентов или помощи пациентам, страдающим от слабоумие. Из-за сложности мозга возможности для этих имплантаты мозга расширить их полезность практически безграничны. Некоторые ранние работы с кортикальными имплантатами включали стимуляцию зрительной коры с использованием имплантатов из силиконовой резины.[2] С тех пор имплантаты превратились в более сложные устройства с использованием новых полимеров, таких как полиимид. Кортикальные имплантаты могут взаимодействовать с мозгом двумя способами: интракортикально (прямой) или эпикортикальный (непрямой).[3] У интракортикальных имплантатов есть электроды, которые проникают в мозг, тогда как у эпикортикальных имплантатов есть электроды, которые стимулируют вдоль поверхности. Эпикортикальные имплантаты в основном регистрируют потенциалы поля вокруг себя и, как правило, более гибкие по сравнению со своими интракортикальными аналогами. Поскольку интракортикальные имплантаты проникают глубже в мозг, для них требуется более жесткий электрод.[2] Однако из-за микродвижений в головном мозге необходима некоторая гибкость, чтобы предотвратить повреждение ткани мозга.

Визуальные имплантаты

Некоторые типы кортикальных имплантатов могут частично восстановить зрение, напрямую стимулируя зрительная кора.[4] Ранние работы по восстановлению зрения с помощью стимуляции коры головного мозга начались в 1970 году с работ Бриндли и Добелля. В ходе своих первоначальных экспериментов некоторые пациенты смогли распознавать небольшие изображения на довольно близких расстояниях. Их первоначальный имплант был основан на поверхности зрительной коры и не давал столь четких изображений, как мог, с дополнительным недостатком повреждения окружающих тканей. Более поздние модели, такие как электродная матрица «Юта», используют более глубокую корковую стимуляцию, которая гипотетически могла бы обеспечить изображения с более высоким разрешением и меньшей потребляемой мощностью, что привело бы к меньшему ущербу. Одно из главных преимуществ этого метода искусственного зрения перед любым другим визуальный протез заключается в том, что он обходит многие нейроны зрительного пути, которые могут быть повреждены, потенциально восстанавливая зрение большему количеству слепых пациентов.[4]

Однако есть некоторые проблемы, связанные с прямой стимуляцией зрительной коры. Как и в случае со всеми имплантатами, необходимо контролировать влияние их присутствия в течение продолжительных периодов времени. Если через несколько лет имплант необходимо удалить или переставить, могут возникнуть осложнения. Зрительная кора головного мозга намного сложнее, и с ней трудно работать, чем с другими областями, где возможно искусственное зрение, такими как сетчатка или же Зрительный нерв. Поле зрения гораздо легче обрабатывать в других местах, кроме зрительной коры. Кроме того, каждая область коры специализирована для работы с различными аспектами зрения, поэтому простая прямая стимуляция не даст пациентам полных изображений. Наконец, хирургические операции, связанные с имплантатами головного мозга, сопряжены с чрезвычайно высоким риском для пациентов, поэтому исследования нуждаются в дальнейшем улучшении. Тем не менее, кортикальные зрительные протезы важны для людей с полностью поврежденной сетчаткой, зрительным нервом или боковым коленчатым телом, поскольку они являются одним из единственных способов восстановления зрения, поэтому необходимо будет искать дальнейшие разработки. .[4]

Слуховые имплантаты

Хотя разработка эффективных слуховых протезов, которые напрямую взаимодействуют с слуховая кора, есть такие устройства, как слуховой имплант ствола мозга и кохлеарный имплант которые успешно восстанавливают слух глухим пациентам. Были также некоторые исследования, в которых использовались наборы микроэлектродов для снятия показаний со слуховой коры у животных. Одно исследование было проведено на крысах с целью разработки имплантата, который позволил бы одновременно считывать показания как из слуховой коры, так и из таламус. Показания этой новой матрицы микроэлектродов были аналогичны по четкости другим легкодоступным устройствам, которые не обеспечивали такие же одновременные показания.[5] С помощью подобных исследований можно добиться прогресса, который может привести к новым слуховым протезам.

Когнитивные имплантаты

Некоторые кортикальные имплантаты были разработаны для улучшения когнитивных функций. Эти имплантаты устанавливаются в префронтальная кора или гиппокамп. Имплантаты в префронтальной коре помогают восстановить внимание, принятие решений и выбор движений, дублируя миниколоночную организацию нервных импульсов.[6] Протез гиппокампа призван помочь пациенту восстановить полную Долгосрочная память возможности. Исследователи пытаются определить нейронную основу памяти, выясняя, как мозг кодирует различные воспоминания в гиппокампе.

Пациент думает о перемещении указателя мыши. Интерфейс мозг-компьютер принимает эту мысль и переводит ее на экран.

Имитируя естественное кодирование мозга с помощью электрической стимуляции, исследователи стремятся заменить поврежденные области гиппокампа и восстановить функцию.[7] Лечение нескольких состояний, влияющих на познание, таких как: Инсульт, Болезнь Альцгеймера и травма головы может извлечь выгоду из разработки протезов гиппокампа. Эпилепсия также был связан с дисфункцией в области СА3 гиппокампа.[8]

Интерфейсы мозг-компьютер

Основная статья: Интерфейс мозг – компьютер

А Интерфейс мозг-компьютер (BCI) - это тип имплантата, который обеспечивает прямую связь между мозгом пациента и каким-либо внешним оборудованием. С середины 1990-х годов количество исследований ИМК на животных и людях росло в геометрической прогрессии. Большинство интерфейсов мозг-компьютер используются для той или иной формы извлечения нейронных сигналов, в то время как некоторые пытаются вернуть ощущения с помощью имплантированного сигнала.[3] В качестве примера извлечения сигнала BCI может принимать сигнал от парализованный мозг пациента и использовать его для перемещения робота протез. Парализованные пациенты получают большую пользу от этих устройств, поскольку они позволяют вернуть контроль пациенту. Текущие исследования интерфейсов мозг-компьютер направлены на определение областей мозга, которыми может управлять человек. Большинство исследований сосредоточено на сенсомотор области мозга, используя воображаемые двигательные действия для управления устройствами, в то время как некоторые исследования пытались определить, сеть когнитивного контроля будет подходящим местом для имплантации. Эта область представляет собой «нейронную сеть, которая координирует психические процессы на службе явных намерений или задач», управляя устройством намеренно, а не воображаемым движением. [9] Примером возвращения ощущения через имплантированный сигнал может быть развитие тактильной реакции протезной конечности. У людей с ампутированными конечностями нет сенсорной реакции на протезах, а только через имплант в их протезах. соматосенсорная кора потенциально может дать им искусственное осязание.

Интерфейс мозг-компьютер; матрица микроэлектродов; пациент, использующий интерфейс мозг-компьютер

Текущим примером интерфейса мозг-компьютер может быть BrainGate, устройство, разработанное Киберкинетика. Этот ИМК в настоящее время проходит второй раунд клинических испытаний, начиная с мая 2009 года. В более раннем испытании участвовал пациент с тяжелым повреждение спинного мозга, не имея возможности контролировать свои конечности. Ему удалось управлять компьютерной мышью с помощью одних лишь мыслей. Были сделаны дальнейшие разработки, которые позволяют более сложное взаимодействие, такое как управление роботизированной рукой.

Преимущества

Возможно, одно из самых больших преимуществ кортикальных имплантатов по сравнению с другими нейропротезами - это прямое взаимодействие с корой. Обход поврежденных тканей в зрительный путь позволяет более широкому кругу поддающихся лечению пациентов. Эти имплантаты также могут выступать в качестве замены поврежденных тканей коры головного мозга. Идея биомимикрия позволяет имплантату действовать как альтернативный путь для сигналов.

Недостатки

Наличие любого имплантата, который напрямую связан с корой головного мозга, представляет некоторые проблемы. Основная проблема с кортикальными имплантатами: биосовместимость, или как тело будет реагировать на посторонний предмет. Если организм отторгает имплант, то имплант принесет пациенту больше вреда, чем пользы. Помимо биосовместимости, после того, как имплант установлен на место, организм может иметь на него неблагоприятную реакцию в течение длительного периода времени, делая имплант бесполезным.[10] Имплантация матрица микроэлектродов может вызвать повреждение окружающих тканей. Развитие рубцовая ткань вокруг электродов может помешать некоторым сигналам достичь нейронов, для которых предназначен имплант. Большинство массивов микроэлектродов требуют, чтобы тела нейронных клеток находились в пределах 50 мкм от электродов, чтобы обеспечить наилучшее функционирование, и исследования показали, что у животных с хронической имплантацией плотность клеток в этом диапазоне значительно снижается.[10] Доказано, что имплантаты вызывают нейродегенерация также на месте имплантации.

Нейронное кодирование представляет собой трудность, с которой сталкиваются кортикальные имплантаты, и в частности имплантаты, связанные с познанием. Исследователи столкнулись с трудностями в определении того, как мозг кодирует отдельные воспоминания. Например, то, как мозг кодирует память о стуле, сильно отличается от того, как он кодирует лампу. С полным пониманием нейронный код можно добиться большего прогресса в разработке протезов гиппокампа, которые могут более эффективно улучшать память.

Из-за уникальности коры головного мозга каждого пациента трудно стандартизировать процедуры, включающие прямую имплантацию.[4] У мозга есть много общих физических особенностей, но извилина или же борозда (нейроанатомия) могут отличаться при сравнении. Это приводит к трудностям, поскольку делает каждую процедуру уникальной, что требует больше времени для выполнения. Кроме того, характер предполагаемого эффекта матрицы микроэлектродов ограничен из-за заявленных отклонений, представленных в связи с индивидуальной уникальностью коры головного мозга, то есть различиями. Современные матрицы микроэлектродов также ограничены из-за их физического размера и достижимых скоростей обработки данных / возможностей; которые продолжают регулироваться в отношении характеристик, продиктованных в соответствии с Закон Мура.

Будущие разработки

По мере проведения дополнительных исследований будут проводиться дальнейшие разработки, которые повысят жизнеспособность и удобство использования кортикальных имплантатов. Уменьшение размера имплантатов поможет упростить процедуры и уменьшить объем. Долговечность этих устройств также рассматривается в процессе разработки. Цель разработки новых имплантатов - «избежать гидролитической, окислительной и ферментативной деградации из-за суровой окружающей среды человеческого тела или, по крайней мере, замедлить ее до минимума, который позволяет интерфейсу работать в течение длительного периода времени, прежде, чем его наконец придется обменять ".[2] При увеличении срока службы потребуется выполнять меньше операций для обслуживания, что позволяет увеличить количество полимеров, которые теперь можно использовать для нейронных имплантатов, что позволяет использовать большее разнообразие устройств. По мере совершенствования технологии исследователи могут более плотно размещать электроды в массивах, обеспечивая высокую селективность.[2] Другой областью исследования являются аккумуляторные батареи, питающие эти устройства. Были предприняты усилия, чтобы уменьшить общий размер и громоздкость этих пакетов, чтобы сделать их менее назойливыми для пациента. Также представляет интерес уменьшение количества энергии, необходимой для каждого имплантата, поскольку это уменьшит количество тепла, выделяемого имплантатом, и, следовательно, снизит риск повреждения окружающих тканей.

Рекомендации

  1. ^ Berger, T. W .; Hampson, R.E .; Песня, D .; Goonawardena, A .; Мармарелис, В. З .; Дедвайлер, С. А. (2011). «Кортикальный нервный протез для восстановления и улучшения памяти». Журнал нейронной инженерии. 8 (4). Дои:10.1088/1741-2560/8/4/046017. ЧВК  3141091.
  2. ^ а б c d Hassler, C .; Boretius, T .; Штиглиц, Т. (2011). «Полимеры для нервных имплантатов». Журнал науки о полимерах, часть B, Физика полимеров. 49 (1): 18–33. Дои:10.1002 / polb.22169.
  3. ^ а б Конрад, П .; Шанкс, Т. (2010). «Имплантируемый мозговой компьютерный интерфейс: вызовы трансляции нейротехнологий». Нейробиология болезней. 38 (3): 369–375. Дои:10.1016 / j.nbd.2009.12.007.
  4. ^ а б c d Fernandes, R.A.B .; Диниз, Б .; Ribeiro, R .; Хумаюн, М. (2012). «Искусственное зрение посредством нейрональной стимуляции». Письма о неврологии. 519 (2): 122–128. Дои:10.1016 / j.neulet.2012.01.063.
  5. ^ McCarthy, P.T .; Rao, M. P .; Отто, К. Дж. (2011). «Одновременная запись слуховой коры и таламуса крыс с помощью микротитанового микроэлектродного устройства». Журнал нейронной инженерии. 8 (4). Дои:10.1088/1741-2560/8/4/046007. ЧВК  3158991.
  6. ^ Hampson, R.E .; Герхардт, Г. А .; Marmarelis, V .; Песня, D .; Opris, I .; Santos, L .; Дедвайлер, С. А. (2012). «Облегчение и восстановление когнитивной функции в префронтальной коре приматов с помощью нейропротеза, который использует нейронное возбуждение, специфичное для мини-колонки». Журнал нейронной инженерии. 9 (5). Дои:10.1088/1741-2560/9/5/056012. ЧВК  3505670.
  7. ^ Hampson, R.E .; Песня, D .; Chan, R.H.M .; Sweatt, A.J .; Riley, M. R .; Герхардт, Г. А .; Дедвайлер, С. А. (2012). "Нелинейная модель когнитивного протеза гиппокампа: облегчение памяти за счет стимуляции ансамбля гиппокампа". IEEE Transactions по нейронным системам и реабилитационной инженерии. 20 (2): 184–197. Дои:10.1109 / tnsre.2012.2189163. ЧВК  3397311.
  8. ^ Berger, T. W .; Ахуджа, А .; Courellis, S.H .; Deadwyler, S.A .; Erinjippurath, G .; Герхардт, Г. А .; Уиллс, Дж. (2005). «Восстановление утраченной когнитивной функции». Журнал IEEE Engineering in Medicine and Biology. 24 (5): 30–44. Дои:10.1109 / members.2005.1511498.
  9. ^ Vansteensel, M. J .; Hermes, D .; Aarnoutse, E.J .; Bleichner, M. G .; Schalk, G .; van Rijen, P.C .; Рэмси, Н. Ф. (2010). «Интерфейс мозг-компьютер на основе когнитивного управления». Анналы неврологии. 67 (6): 809–816. Дои:10.1002 / ana.21985.
  10. ^ а б Поттер, К. А .; Бак, А. С .; Self, W. K .; Кападона, Дж. Р. (2012). «Колото-ранение и имплантация устройства в мозг приводит к обратно-многофазным нейровоспалительным и нейродегенеративным ответам». Журнал нейронной инженерии. 9 (4). Дои:10.1088/1741-2560/9/4/046020.