Нейронная пыль - Neural dust

Нейронная пыль это термин, используемый для обозначения устройств миллиметрового размера, работающих как с беспроводным питанием нервные датчики; это тип интерфейс мозг-компьютер. Датчики могут использоваться для изучения, мониторинга или контроля нервов и мышц, а также для удаленного мониторинга нервной активности. На практике лечение может ввести тысячи устройств нейронной пыли в мозг человека. Термин происходит от "умная пыль «, поскольку датчики, используемые в качестве нейронной пыли, также могут быть определены этим понятием.[1]

Фон

Дизайн нейронной пыли был впервые предложен в статье 2011 г. Калифорнийский университет в Беркли Исследовательский центр беспроводной связи, в котором описаны как проблемы, так и выдающиеся преимущества создания надежного беспроводного мозговой компьютерный интерфейс (BCI).[2] Хотя история BCI начинается с изобретения электроэнцефалограмма к Ганс Бергер в 1924 году этот термин не появлялся в научной литературе до 1970-х годов. Отличительные исследования в этой области пришли из Калифорнийский университет в Лос-Анджелесе (UCLA), получив исследовательский грант от Национальный фонд науки.[3]

Хотя нейронная пыль действительно попадает в категорию BCI, ее также можно использовать в области нейропротезирование (также известное как нервное протезирование). Хотя эти термины иногда могут использоваться взаимозаменяемо, главное отличие состоит в том, что, хотя BCI обычно связывает нейронную активность напрямую с компьютером, нейропротезирование, как правило, связывает активность в Центральная нервная система к устройству, предназначенному для замены функции отсутствующей или поврежденной части тела.

Функция

Составные части

Основными компонентами системы нейронной пыли являются сенсорные узлы (нейронная пыль), размер которых составляет 10-100 мкм.3 масштаб, а субкраниальный следователь, который сидел бы под твёрдая мозговая оболочка и будет обеспечивать как энергию, так и канал связи с нейронной пылью. Нейронные пылинки состоят из пары записывающих электроды, обычай транзистор, а пьезоэлектрический датчик.[4] Пьезоэлектрический кристалл способен регистрировать активность мозга из внеклеточного пространства и преобразовывать ее в электрический сигнал.

Передача данных и питания

Хотя существует множество форм BCI, нейронная пыль находится в отдельном классе из-за своего размера, возможностей беспроводной связи и использования УЗИ технологии. Хотя многие сопоставимые устройства используют электромагнитные волны (Такие как радиочастоты ) для взаимодействия с беспроводными нейронными датчиками,[5][6][7][8] использование ультразвука дает преимущества более высокого пространственного разрешения, а также меньшего затухание в ткани. Это приводит к большей глубине проникновения (и, следовательно, к более легкой связи с субкраниальным коммуникатором), а также к уменьшению нежелательной энергии, распределяемой в тканях тела из-за рассеивания или поглощения.[4] Эта избыточная энергия принимает форму тепла, которое может вызвать повреждение окружающей ткани. Использование ультразвука также позволяет масштабировать узлы сенсора в большем масштабе, допуская размеры менее 100 мкм, что дает большие возможности в области имплантируемой электроники.

Обратное рассеяние

Из-за чрезвычайно малого размера частиц нейронной пыли было бы непрактично и практически невозможно создать функциональный передатчик в самом датчике. Таким образом обратное рассеяние, заимствовано из определение радиочастоты (RFID) технологии. В пассивном RFID метки без батареи способны поглощать и отражать радиочастота (RF) энергия при нахождении в непосредственной близости от RF запросчика, который является устройством, которое передает RF энергию. Поскольку они отражают радиочастотную энергию обратно в запросчик, они способны модулировать частоту и при этом кодировать информацию. Нейронная пыль использует этот метод, когда субдуральный коммуникатор посылает ультразвуковой импульс, который затем отражается датчиками нейронной пыли. Пьезоэлектрический кристалл обнаруживает нейрональный сигнал от его расположения в внеклеточное пространство, а энергия ультразвука отражение обратно в дознаватель будет модулироваться таким образом, чтобы сообщать о записанной активности.[9]

В одной из предложенных моделей нейронного датчика пыли модель транзистора позволила использовать метод разделения между потенциалы локального поля и потенциал действия "всплески", которые позволили бы значительно разнообразить объем данных, получаемых из записей.[2]

Клинические и оздоровительные приложения

Нервное протезирование

Некоторые примеры нервных протезов включают: кохлеарные имплантаты что может помочь восстановить слух,[10] искусственный кремний сетчатка микрочипы, которые доказали свою эффективность при лечении дегенерации сетчатки от пигментный ретинит,[11] и даже моторные протезы, которые могут дать возможность двигаться людям с квадриплегия или расстройства, подобные боковой амиотрофический склероз.[12] Использование нейронной пыли в сочетании с моторными протезами может позволить более точно контролировать движение.

Электростимуляция

В то время как методы электростимуляции нервы и ткани мозга уже использовались в течение некоторого времени, размер и беспроводная природа нейронной пыли позволяют продвинуться вперед в клинических применениях этой техники. Важно отметить, что традиционные методы нейростимуляция и некоторые формы стимуляции нервов, такие как стимуляция спинного мозга используйте имплантированные электроды, которые остаются подключенными к проводам, риск инфицирования и образования рубцов высок. Хотя эти риски не являются фактором использования нейронной пыли, проблема применения достаточного количества электрический ток к сенсорному узлу, все еще присутствует.

Апноэ сна

Электростимуляция устройства уже показали некоторую эффективность в лечении Обструктивное апноэ во сне (OSA). Исследователи, которые использовали хирургически имплантированное устройство для электростимуляции пациентам с тяжелым СОАС, обнаружили значительное улучшение в течение 12-месячного периода лечения этим устройством.[13] Стимуляция диафрагмальный нерв также было показано, что он эффективен в снижении центральное апноэ сна.[14]

Контроль мочевого пузыря у пациентов с параличом нижних конечностей

Устройства электростимуляции оказались эффективными в разрешении повреждение спинного мозга у пациентов улучшилась способность к мочеиспусканию и дефекации за счет использования имплантатов с радиосвязью для стимуляции крестцовый передний корень область позвоночника[15]

Эпилепсия

Электростимуляционная терапия у пациентов с эпилепсия в течение некоторого времени была устоявшейся процедурой, восходящей к 1950-м годам.[16] Первостепенной целью Американского общества эпилепсии является дальнейшее развитие автоматизированной электрической стимуляции мозга (также известной как условная стимуляция или стимуляция с замкнутым контуром), которая обеспечивает остановку приступов электрической стимуляции на основе мозговых паттернов, указывающих на то, что приступ скоро произойдет. Это обеспечивает гораздо лучшее лечение расстройства, чем стимуляция, основанная на оценке того, когда может произойти приступ.[17] Пока стимуляция блуждающего нерва часто является целевой областью лечения Эпилептические припадки, было проведено исследование эффективность стимуляции в гиппокамп, таламус, и субталамическое ядро. Замкнутая корковая нейромодуляция также была исследована в качестве метода лечения болезнь Паркинсона[18]

Рекомендации

  1. ^ Warneke, B .; Последний, М .; Liebowitz, B .; Пистер, К. С. Дж. (Январь 2001 г.). «Smart Dust: связь с кубомиллиметровым компьютером». Компьютер. 34 (1): 44–51. Дои:10.1109/2.895117. ISSN  0018-9162.
  2. ^ а б Рабай, Дж. М. (сентябрь 2011 г.). «Мозг-машинные интерфейсы как новый рубеж в экстремальной миниатюризации». 2011 Труды Европейской конференции по исследованиям твердотельных устройств (ESSDERC): 19–24. Дои:10.1109 / essderc.2011.6044240. ISBN  978-1-4577-0707-0.
  3. ^ Видаль, Дж. Дж. (1973). «К прямой связи мозг-компьютер». Ежегодный обзор биофизики и биоинженерии. 2 (1): 157–180. Дои:10.1146 / annurev.bb.02.060173.001105. PMID  4583653.
  4. ^ а б Со, Донджин; Нили, Райан М .; Шен, Конлин; Сингхал, Уткарш; Алон, Элад; Rabaey, Jan M .; Кармена, Хосе М .; Махарбиз, Мишель М. (2016). «Беспроводная запись в периферической нервной системе с помощью ультразвуковой нейронной пыли». Нейрон. 91 (3): 529–539. Дои:10.1016 / j.neuron.2016.06.034. PMID  27497221.
  5. ^ Йегер, Д .; Biederman, W .; Наревский, Н .; Leverett, J .; Neely, R .; Carmena, J .; Один.; Рабай, Дж. (Июнь 2014 г.). «Полностью интегрированная SoC с нейромодуляцией 4,78 мм2, сочетающая 64 канала сбора данных с цифровым сжатием и одновременной двойной стимуляцией». Симпозиум 2014 г. по схемам СБИС Сборник технических документов: 1–2. Дои:10.1109 / vlsic.2014.6858430. ISBN  978-1-4799-3328-0.
  6. ^ Muller, R .; Le, H.P .; Li, W .; Ledochowitsch, P .; Gambini, S .; Bjorninen, T .; Коралек, А .; Carmena, J.M .; Махарбиз, М. М. (январь 2015 г.). «Минимально инвазивный 64-канальный беспроводной # x03BC; имплантат ECoG». Журнал IEEE по твердотельным схемам. 50 (1): 344–359. Дои:10.1109 / jssc.2014.2364824. ISSN  0018-9200.
  7. ^ Kiourti, A .; Lee, C. W. L .; Chae, J .; Волакис, Дж. Л. (январь 2016 г.). «Беспроводное полностью пассивное устройство нейронной записи для ненавязчивого мониторинга нейропотенциала». IEEE Transactions по биомедицинской инженерии. 63 (1): 131–137. Дои:10.1109 / tbme.2015.2458583. ISSN  0018-9294. PMID  26208260.
  8. ^ Schwerdt, H.N .; Xu, W .; Shekhar, S .; Abbaspour-Tamijani, A .; Towe, B.C .; Миранда, Ф. А .; Чаэ, Дж. (Октябрь 2011 г.). «Полностью пассивная беспроводная микросистема для записи нейропотенциалов с использованием методов обратного радиочастотного рассеяния». Журнал микроэлектромеханических систем. 20 (5): 1119–1130. Дои:10.1109 / jmems.2011.2162487. ISSN  1057-7157. ЧВК  3259707. PMID  22267898.
  9. ^ Со, Донджин; Кармена, Хосе М .; Rabaey, Jan M .; Махарбиз, Мишель М .; Алон, Элад (2015). «Проверка модели непривязанных ультразвуковых пылинок нейронных частиц для записи коры головного мозга». Журнал методов неврологии. 244: 114–122. Дои:10.1016 / j.jneumeth.2014.07.025. PMID  25109901.
  10. ^ Ганц, Брюс Дж .; Тернер, Кристофер; Gfeller, Kate E .; Лоудер, Мэри В. (2005-05-01). «Сохранение слуха при хирургии кохлеарного имплантата: преимущества комбинированной электрической и акустической обработки речи» (PDF). Ларингоскоп. 115 (5): 796–802. CiteSeerX  10.1.1.550.6842. Дои:10.1097 / 01.mlg.0000157695.07536.d2. ISSN  1531-4995. PMID  15867642.
  11. ^ Чоу, Алан Ю. (2004-04-01). «Микрочип из искусственного кремния сетчатки для лечения потери зрения из-за пигментного ретинита». Архив офтальмологии. 122 (4): 460–9. Дои:10.1001 / archopht.122.4.460. ISSN  0003-9950. PMID  15078662.
  12. ^ Hochberg, Leigh R .; Серруя, Mijail D .; Friehs, Gerhard M .; Mukand, Jon A .; Салех, Марьям; Caplan, Abraham H .; Браннер, Альмут; Чен, Дэвид; Пенн, Ричард Д. (13 июля 2006 г.). «Управление нейрональным ансамблем протезных устройств у человека с тетраплегией». Природа. 442 (7099): 164–171. Bibcode:2006Натура.442..164H. Дои:10.1038 / природа04970. ISSN  1476-4687. PMID  16838014.
  13. ^ Стролло, Патрик Дж .; Суз, Райан Дж .; Maurer, Joachim T .; и другие. (2014). «Стимуляция верхних дыхательных путей при обструктивном апноэ сна». Медицинский журнал Новой Англии. 370 (2): 139–149. Дои:10.1056 / NEJMoa1308659. ISSN  0028-4793.
  14. ^ Авраам, Уильям Т .; Ягельский, Дариуш; Ольденбург, Олаф; и другие. (2015). «Стимуляция диафрагмального нерва для лечения центрального апноэ сна». JACC: сердечная недостаточность. 3 (5): 360–369. Дои:10.1016 / j.jchf.2014.12.013. ISSN  2213-1779.
  15. ^ Бриндли, Г. С.; Polkey, C. E; Раштон, Д. Н. (1982-12-01). «Стимуляторы переднего крестцового корешка для контроля мочевого пузыря при параплегии». Спинной мозг. 20 (6): 365–381. Дои:10.1038 / sc.1982.65. ISSN  1476-5624. PMID  6984503.
  16. ^ Хариз, Марван I .; Бломштедт, Патрик; Зринцо, Людвик (30.07.2010). «Глубокая стимуляция мозга между 1947 и 1987 годами: нерассказанная история». Нейрохирургия. 29 (2): E1. Дои:10.3171 / 2010.4.focus10106. PMID  20672911.
  17. ^ Osorio, I .; Frei, M. G .; Manly, B. F .; Sunderam, S .; Bhavaraju, N.C .; Уилкинсон, С. Б. (ноябрь 2001 г.). «Введение в условную (замкнутую) электрическую стимуляцию мозга при блокаде приступов, в ультракороткие клинические испытания и в многомерный статистический анализ терапевтической эффективности». Журнал клинической нейрофизиологии. 18 (6): 533–544. Дои:10.1097/00004691-200111000-00003. ISSN  0736-0258. PMID  11779966.
  18. ^ Бойтер, Энн; Лефошер, Жан-Паскаль; Модоло, Жюльен (2014). «Замкнутая кортикальная нейромодуляция при болезни Паркинсона: альтернатива глубокой стимуляции мозга?». Клиническая нейрофизиология. 125 (5): 874–885. Дои:10.1016 / j.clinph.2014.01.006. PMID  24555921.