Нейропротезирование

Нейропротезирование (также называемое нейронным протезированием ) — это дисциплина, связанная с нейробиологией и биомедицинской инженерией, занимающаяся разработкой нейронных протезов . Иногда их противопоставляют интерфейсу мозг-компьютер , который соединяет мозг с компьютером, а не устройству, предназначенному для замены недостающих биологических функций.

Нейронные протезы представляют собой серию устройств, которые могут заменить двигательную, сенсорную или когнитивную модальность, которая могла быть повреждена в результате травмы или заболевания. Кохлеарные имплантаты являются примером таких устройств. Эти устройства заменяют функции барабанной перепонки и стремени , имитируя частотный анализ, выполняемый в улитке . Микрофон на внешнем блоке собирает звук и обрабатывает его; обработанный сигнал затем передается на имплантированное устройство, которое стимулирует слуховой нерв через массив микроэлектродов . Заменяя или усиливая поврежденные органы чувств, эти устройства призваны улучшить качество жизни людей с ограниченными возможностями.

Эти имплантируемые устройства также широко 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 субъекта без влияния устройства на результаты. Точное зондирование и запись электрических сигналов в мозге поможет лучше понять взаимоотношения между локальной популяцией нейронов, отвечающих за определенную функцию.

Нейронные имплантаты проектируются так, чтобы быть как можно меньшими и минимально инвазивными, особенно в областях, окружающих мозг, глаза или улитку. Эти имплантаты обычно связываются со своими протезными аналогами по беспроводной сети. Кроме того, в настоящее время энергия передается посредством беспроводной передачи энергии через кожу. Ткань, окружающая имплантат, обычно очень чувствительна к повышению температуры, а это означает, что потребление энергии должно быть минимальным, чтобы предотвратить повреждение тканей.

Нейропротезом, который в настоящее время наиболее широко используется, является кохлеарный имплант: по состоянию на 2019 год во всем мире использовалось более 736 900 таких имплантатов. .

История

Первый известный кохлеарный имплантат был создан в 1957 году. Другие вехи включают в себя первый моторный протез для отвисания стопы при гемиплегии в 1961 году, первый слуховой стволовой имплантат в 1977 году и периферический нервный мостик, имплантированный в спинной мозг взрослой крысы в ​​1981 году. В 1988 году поясничный имплантат переднего корешка и функциональная электрическая стимуляция (ФЭС) облегчили стояние и ходьбу соответственно для группы людей с параличом нижних конечностей .

Что касается разработки электродов, имплантируемых в мозг, одной из первых трудностей была их надежная локализация, первоначально это делалось путем введения электродов с иглами и отламывания игл на желаемой глубине. В последних системах используются более совершенные датчики, например, те, которые используются при глубокой стимуляции мозга для облегчения симптомов болезни Паркинсона . Проблема любого подхода заключается в том, что мозг свободно плавает в черепе, а зонд — нет, а относительно незначительные воздействия, такие как автомобильная авария на малой скорости, потенциально опасны. Некоторые исследователи, такие как Кенсолл Уайз из Мичиганского университета , предложили прикрепить «электроды, которые будут установлены на внешней поверхности мозга» к внутренней поверхности черепа. Однако даже в случае успеха привязка не решит проблему в устройствах, предназначенных для вставки глубоко в мозг, например, в случае глубокой стимуляции мозга (DBS).

Сенсорное протезирование

Визуальное протезирование

Основная статья: Зрительное протезирование

Зрительный протез может создавать ощущение изображения путем электрической стимуляции нейронов зрительной системы . Камера будет передавать изображение на имплантат по беспроводной сети, а имплант будет отображать изображение на множестве электродов. Массив электродов должен эффективно стимулировать 600–1000 мест, стимулируя эти оптические нейроны сетчатки, таким образом создавая изображение. Стимуляцию также можно проводить в любом месте на пути прохождения оптического сигнала. зрительную кору Для создания изображения можно стимулировать зрительный нерв или головного мозга , хотя клинические испытания оказались наиболее успешными для имплантатов сетчатки.

Система зрительного протеза состоит из внешней (или имплантируемой) системы визуализации, которая получает и обрабатывает видео. Питание и данные будут передаваться на имплантат по беспроводной сети с помощью внешнего блока. Имплантат использует полученную мощность/данные для преобразования цифровых данных в аналоговый выходной сигнал, который будет доставлен в нерв через микроэлектроды.

Фоторецепторы — это специализированные нейроны, которые преобразуют фотоны в электрические сигналы. Они являются частью сетчатки , многослойной нервной структуры толщиной около 200 мкм, которая выстилает заднюю часть глаза . Обработанный сигнал отправляется в мозг через оптический нерв . Если какая-либо часть этого пути повреждена, может возникнуть слепота .

Слепота может возникнуть в результате повреждения оптических путей ( роговицы , водянистой влаги , хрусталика и стекловидного тела ). 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 (ВМД) и пигментный ретинит (РП).

Первым клиническим испытанием постоянно имплантированного протеза сетчатки стало устройство с пассивной микрофотодиодной матрицей из 3500 элементов. Это испытание было проведено в компании Optobionics, Inc. в 2000 году. В 2002 году компания Second Sight Medical Products , Inc. (Сильмар, Калифорния) начала испытания прототипа эпиретинального имплантата с 16 электродами. Субъектами были шесть человек с восприятием голого света, вторичным по отношению к RP. Испытуемые продемонстрировали свою способность различать три обычных предмета (тарелку, чашку и нож) на уровне, статистически превышающем случайность. Активное субретинальное устройство, разработанное компанией 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 .

Основополагающая экспериментальная работа по разработке зрительных протезов была проделана путем стимуляции коры головного мозга с использованием сетки крупных поверхностных электродов. В 1968 году Джайлс Бриндли имплантировал устройство с 80 электродами на зрительную поверхность коры головного мозга 52-летней слепой женщине. В результате стимуляции пациент смог увидеть фосфены в 40 различных положениях поля зрения. Этот эксперимент показал, что имплантированный электростимулятор может в некоторой степени восстановить зрение. Недавние усилия по созданию протезов зрительной коры оценили эффективность стимуляции зрительной коры у приматов, не являющихся человеком. В этом эксперименте после процесса обучения и картирования обезьяна способна выполнять одну и ту же задачу зрительных саккад как при световой, так и при электрической стимуляции.

Требования к протезам сетчатки высокого разрешения должны исходить из потребностей и желаний слепых людей, которым это устройство будет полезно. Взаимодействие с этими пациентами показывает, что передвижение без трости, распознавание лиц и чтение являются основными необходимыми способностями.

Результаты и последствия использования полнофункциональных зрительных протезов впечатляют. Однако проблемы серьезны. Для отображения изображения хорошего качества на сетчатке необходимо большое количество микроматриц электродов. Кроме того, качество изображения зависит от того, какой объем информации можно передать по беспроводной связи. Кроме того, этот большой объем информации должен приниматься и обрабатываться имплантатом без большого рассеивания мощности, которое может повредить ткани. Размер имплантата также имеет большое значение. Предпочтительно, чтобы любой имплантат был минимально инвазивным.

С помощью этой новой технологии несколько ученых, в том числе Карен Моксон из Дрекселя , Джон Чапин из SUNY и Мигель Николелис из Университета Дьюка , начали исследования по разработке сложного зрительного протеза. Другие ученые не согласились с целью своих исследований, утверждая, что фундаментальные исследования и конструкция густонаселенной микроскопической проволоки были недостаточно сложны для продолжения.

Слуховое протезирование

Основные статьи: кохлеарный имплантат и слуховой имплантат ствола мозга

Кохлеарные имплантаты (CI), слуховые имплантаты ствола мозга (ABI) и слуховые имплантаты среднего мозга (AMI) являются тремя основными категориями слуховых протезов. Электродные массивы CI имплантируются в улитку, электродные массивы ABI стимулируют комплекс ядра улитки в нижней части ствола мозга , а ОИМ стимулирует слуховые нейроны в нижних холмиках . Кохлеарные имплантаты оказались очень успешными среди этих трех категорий. Сегодня корпорации Advanced Bionics, Cochlear Corporation и Med-El Corporation являются основными коммерческими поставщиками кохлеарных имплантатов.

В отличие от традиционных слуховых аппаратов, которые усиливают звук и передают его через наружное ухо, кохлеарные имплантаты улавливают и обрабатывают звук, а также преобразуют его в электрическую энергию для последующей доставки к слуховому нерву . Микрофон системы CI принимает звук из внешней среды и отправляет его на процессор. Процессор оцифровывает звук и фильтрует его в отдельные частотные диапазоны, которые отправляются в соответствующую тонотоническую область улитки , примерно соответствующую этим частотам.

В 1957 французские исследователи А. Джурно и К. Эйрис при помощи Д. Кайзера дали первое подробное описание непосредственной стимуляции слухового нерва у человека. Люди рассказывали, что слышали щебечущие звуки во время стимуляции. В 1972 году в клинике House Ear Clinic была имплантирована первая портативная система кохлеарной имплантации взрослому человеку. Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (FDA) официально одобрило продажу кохлеарного импланта «Дом-3М» в ноябре 1984 года.

Улучшение производительности кохлеарных имплантатов зависит не только от понимания физических и биофизических ограничений стимуляции имплантатом, но также от понимания требований мозга к обработке изображений. Современная обработка сигналов представляет собой наиболее важную речевую информацию, а также предоставляет мозгу для распознавания образов необходимую информацию . Распознавание образов в мозге более эффективно, чем алгоритмическая предварительная обработка, при выявлении важных особенностей речи. Сочетание инженерии, обработки сигналов, биофизики и когнитивной нейробиологии было необходимо для создания правильного баланса технологий, позволяющего максимизировать производительность слухового протеза.

Кохлеарные имплантаты также использовались для развития разговорной речи у врожденно глухих детей, причем с заметным успехом при ранней имплантации (до достижения 2–4 лет жизни). Во всем мире было имплантировано около 80 000 детей.

Концепция сочетания одновременной электроакустической стимуляции (EAS) для улучшения слуха была впервые описана К. фон Ильбергом и Й. Кифером из Университетской клиники Франкфурта, Германия, в 1999 году. В том же году был имплантирован первый пациент с EAS. С начала 2000-х годов FDA участвует в клинических испытаниях устройства под названием «Гибрид», проводимого корпорацией Cochlear. Это исследование направлено на изучение пользы имплантации улитки у пациентов с остаточным низкочастотным слухом. В «Гибридном» электроде используется более короткий электрод, чем в стандартном имплантате улитки, поскольку электрод короче, он стимулирует базиликовую область улитки и, следовательно, высокочастотную тонотопическую область. Теоретически эти устройства принесут пользу пациентам со значительным остаточным низкочастотным слухом, которые потеряли восприятие в диапазоне речевых частот и, следовательно, имеют пониженные показатели дискриминации.

Для создания звука см. Синтез речи .

Протезирование для облегчения боли

Основная статья: Стимулятор спинного мозга

Устройство SCS (стимулятор спинного мозга) состоит из двух основных компонентов: электрода и генератора. Техническая цель СКС при нейропатической боли состоит в том, чтобы замаскировать область боли пациента с помощью покалывания, вызванного стимуляцией, известного как « парестезия », поскольку это перекрытие необходимо (но недостаточно) для достижения облегчения боли. Охват парестезии зависит от того, какие афферентные нервы стимулируются. Наиболее легко задействовать дорсальный срединный электрод, расположенный вблизи пиальной поверхности спинного мозга , являются крупные афференты дорсального столба , которые вызывают широкую парестезию, охватывающую сегменты каудально.

В древние времена электрогенную рыбу использовали как шокер, чтобы унять боль. Целители разработали конкретные и подробные методы использования генеративных качеств рыбы для лечения различных типов боли, включая головную боль. Из-за сложности использования живого генератора шока требовался значительный уровень навыков, чтобы доставить терапию к цели в течение надлежащего периода времени. (Включая сохранение рыбы в живых как можно дольше)Электроанальгезия была первым преднамеренным применением электричества. К девятнадцатому веку большинство западных врачей предлагали своим пациентам электротерапию с помощью портативного генератора. Однако в середине 1960-х годов три вещи сошлись воедино, чтобы обеспечить будущее электростимуляции.

1. Технология кардиостимуляторов , появившаяся в 1950 году, стала доступной.
2. Мелзак и Уолл опубликовали свою теорию контроля ворот боли , в которой предполагалось, что передачу боли можно блокировать путем стимуляции крупных афферентных волокон.
3. Врачи-новаторы заинтересовались стимуляцией нервной системы, чтобы избавить пациентов от боли.

Варианты конструкции электродов включают их размер, форму, расположение, количество и расположение контактов, а также способ имплантации электрода. Вариант конструкции генератора импульсов включает источник питания, анатомическое место размещения цели, источник тока или напряжения, частоту пульса, ширину импульса и ряд независимых каналов. Варианты программирования очень многочисленны (четырехконтактный электрод предлагает 50 функциональных биполярных комбинаций). В современных устройствах используется компьютеризированное оборудование для поиска наилучших вариантов использования. Эта опция перепрограммирования компенсирует изменения осанки, миграцию электродов, изменения в локализации боли и неоптимальное размещение электродов.

Моторное протезирование

К устройствам, поддерживающим функцию автономной нервной системы , относится имплантат для контроля мочевого пузыря . Попытки соматической нервной системы помочь сознательному контролю движений включают функциональную электрическую стимуляцию и стимулятор передних корешков поясничного отдела .

Имплантаты для контроля мочевого пузыря

Основная статья: Стимулятор переднего крестцового корня

Если поражение спинного мозга приводит к параплегии , у пациентов возникают трудности с опорожнением мочевого пузыря, что может вызвать инфекцию. С 1969 года Бриндли разработал стимулятор переднего крестцового корешка, который с начала 1980-х годов прошел успешные испытания на людях. Это устройство имплантируется над крестцовыми ганглиями передних корешков спинного мозга; Управляемый внешним передатчиком, он обеспечивает периодическую стимуляцию, которая улучшает опорожнение мочевого пузыря. Он также помогает при дефекации и позволяет пациентам мужского пола иметь устойчивую полную эрекцию.

Соответствующая процедура стимуляции сакрального нерва предназначена для контроля недержания у трудоспособных пациентов.

Моторное протезирование для сознательного управления движением

Основная статья: Интерфейс мозг-компьютер

В настоящее время исследователи исследуют и создают моторные нейропротезы, которые помогут восстановить движение и способность общаться с внешним миром людям с двигательными нарушениями, такими как тетраплегия или боковой амиотрофический склероз . Исследования показали, что полосатое тело играет решающую роль в двигательном сенсорном обучении. Это было продемонстрировано экспериментом, в котором скорость стрельбы полосатого тела лабораторных крыс регистрировалась с более высокой скоростью после последовательного выполнения задания.

Чтобы улавливать электрические сигналы мозга, ученые разработали массивы микроэлектродов размером менее квадратного сантиметра, которые можно имплантировать в череп для регистрации электрической активности, передавая записанную информацию через тонкий кабель. После десятилетий исследований на обезьянах нейробиологи смогли расшифровать сигналы нейронов в движения. Завершив перевод, исследователи создали интерфейсы, которые позволяют пациентам перемещать компьютерные курсоры, и начинают 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 протезов . Например, если пациент думает о том, чтобы сжать кулак, это дает иной результат, чем если бы он думал о постукивании пальцем. Фильтры, используемые в протезах, также дорабатываются, и в будущем врачи надеются создать имплант, способный передавать сигналы изнутри черепа беспроводным способом , а не через кабель.

До этих достижений Филип Кеннеди ( Эмори и Технологический институт Джорджии ) имел действующую, хотя и несколько примитивную систему, которая позволяла парализованному человеку произносить слова по буквам, модулируя активность своего мозга. В устройстве Кеннеди использовались два нейротрофических электрода : первый был имплантирован в неповрежденную двигательную область коры (например, область представления пальцев) и использовался для перемещения курсора между группой букв. Второй имплантировали в другую двигательную область и использовали для обозначения выбора.

Продолжаются разработки по замене утраченных рук кибернетическими заменителями с использованием нервов, обычно связанных с грудными мышцами. Эти руки допускают слегка ограниченный диапазон движений и, как сообщается, будут оснащены датчиками для определения давления и температуры.

Доктор Тодд Куикен из Северо-Западного университета и Института реабилитации Чикаго разработал метод целевой реиннервации для человека с ампутированной конечностью, позволяющий управлять моторизованными протезами и восстанавливать сенсорную обратную связь.

В 2002 году многоэлектродная решетка из 100 электродов , которая теперь образует сенсорную часть Braingate , была имплантирована непосредственно в срединные нервные волокна ученого Кевина Уорвика . Записанные сигналы использовались для управления роботизированной рукой , разработанной коллегой Уорвика Питером Кибердом , и смогли имитировать действия собственной руки Уорвика. Кроме того, через имплантат обеспечивалась своего рода сенсорная обратная связь путем пропускания небольших электрических токов в нерв. Это вызвало сокращение первой червеобразной мышцы руки и именно это движение было воспринято.

В июне 2014 года Джулиано Пинто, спортсмен с параличом нижних конечностей, выполнил церемониальный первый удар ногой на чемпионате мира по футболу 2014 года, используя экзоскелет с электроприводом и интерфейсом мозга. Экзоскелет был разработан в рамках проекта Walk Again Project в лаборатории Мигеля Николелиса, финансируемого правительством Бразилии. Николелис говорит, что обратная связь от замененных конечностей (например, информация о давлении, испытываемом протезной ступней, касающейся земли) необходима для равновесия. Он обнаружил, что пока люди могут видеть, как конечности, управляемые мозговым интерфейсом, движутся одновременно с подачей команды на это, при повторном использовании мозг ассимилирует конечность с внешним приводом и начинает ее воспринимать ( с точки зрения осознания положения и обратной связи) как часть тела.

Техника ампутации

Группа биомехатроники Массачусетского технологического института разработала новую парадигму ампутации, которая позволяет биологическим мышцам и миоэлектрическим протезам взаимодействовать нейронно с высокой надежностью. Эта хирургическая парадигма, получившая название «мионевральный интерфейс агонист-антагонист» (АМИ), дает пользователю возможность чувствовать и контролировать протез конечности как продолжение собственного тела, а не использовать протез, который просто напоминает придаток. При нормальных взаимоотношениях пар мышц агонист-антагонист (например, бицепс-трицепс), когда мышца-агонист сокращается, мышца-антагонист растягивается, и наоборот, что дает человеку возможность узнать положение своей конечности, даже не глядя на нее. . Во время стандартной ампутации мышцы-агонисты-антагонисты (например, бицепс-трицепс) изолированы друг от друга, что предотвращает возможность использования динамического механизма сокращения-расширения, который генерирует сенсорную обратную связь. Таким образом, нынешние люди с ампутированными конечностями не имеют возможности чувствовать физическую среду, в которой находится их протезная конечность. Более того, при нынешней хирургии ампутации, которая существует уже более 200 лет, 1/3 пациентов подвергаются ревизионным операциям из-за болей в культях.

ОИМ состоит из двух мышц, которые первоначально имели отношения агонист-антагонист. Во время операции по ампутации эти две мышцы механически соединяются вместе внутри ампутированной культи. Для каждой степени свободы сустава пациента может быть создана одна пара мышц ОИМ с целью установления контроля и ощущения нескольких протезированных суставов. В ходе предварительного тестирования этого нового нейронного интерфейса пациенты с ОИМ продемонстрировали и сообщили о лучшем контроле над протезом. Кроме того, наблюдалось более естественное рефлекторное поведение при ходьбе по лестнице по сравнению с субъектами с традиционной ампутацией. ОИМ также может быть создан путем комбинации двух деваскуляризированных мышечных трансплантатов. Эти мышечные трансплантаты (или лоскуты) представляют собой запасные мышцы, которые денервированы (отделены от исходных нервов) и удалены из одной части тела для реиннервации отрезанными нервами, обнаруженными в конечности, подлежащей ампутации. За счет использования регенерированных мышечных лоскутов можно создать ОИМ для пациентов с мышечной тканью, которая испытала сильную атрофию или повреждение, или для пациентов, которым проводится ревизия ампутированной конечности по таким причинам, как боль при 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 для разработки протеза, имитирующего нормальные биологические синаптические сигналы. Математическое моделирование этих сигналов представляет собой сложную задачу «из-за нелинейной динамики, присущей клеточным/молекулярным механизмам, включающим нейроны и их синаптические связи». Выходная мощность почти всех нейронов мозга зависит от того, какие постсинаптические входы активны и в каком порядке они поступают. (пространственные и временные свойства соответственно).

После математического моделирования параметров ввода-вывода разрабатываются интегральные схемы, имитирующие обычные биологические сигналы. Чтобы протез работал как нормальная ткань, он должен обрабатывать входные сигналы (процесс, известный как трансформация) , так же, как и нормальная ткань.

Размер

Имплантируемые устройства должны быть очень маленькими, чтобы их можно было имплантировать непосредственно в мозг, размером примерно с четверть. Одним из примеров микроимплантируемой электродной решетки является массив Юты.

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

Потребляемая мощность

Потребление энергии влияет на размер батареи. Оптимизация имплантированных схем снижает энергопотребление. Имплантированные устройства в настоящее время нуждаются в бортовых источниках питания. Как только батарея разрядится, потребуется операция по замене устройства. Более длительный срок службы батареи коррелирует с меньшим количеством операций, необходимых для замены батарей. Один из вариантов, который можно использовать для подзарядки батарей имплантатов без хирургического вмешательства и проводов, — это использование в электрических зубных щетках. Эти устройства используют индуктивную зарядку для подзарядки аккумуляторов. Другая стратегия заключается в преобразовании электромагнитной энергии в электрическую, как в метках радиочастотной идентификации .

Биосовместимость

Когнитивные протезы имплантируются непосредственно в мозг, поэтому биосовместимость является очень важным препятствием, которое необходимо преодолеть. Материалы, используемые в корпусе устройства, материал электрода (например, оксид иридия ), а для долгосрочной имплантации необходимо выбирать изоляцию электрода. В соответствии со стандартами: ISO 14708-3 15 ноября 2008 г., Имплантаты для хирургии. Активные имплантируемые медицинские устройства. Часть 3. Имплантируемые нейростимуляторы.

Пересечение гематоэнцефалического барьера может привести к попаданию патогенов или других материалов, которые могут вызвать иммунный ответ. Мозг имеет собственную иммунную систему, которая действует иначе, чем иммунная система остального тела.

Передача данных

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

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

Методы передачи данных между нейронными протезами и внешними системами должны быть надежными и безопасными. Беспроводные нейронные имплантаты могут иметь те же уязвимости кибербезопасности , что и любая другая ИТ- система, что привело к появлению термина «нейробезопасность» . Нарушение нейробезопасности можно рассматривать как нарушение врачебной тайны .

Правильная имплантация

Имплантация устройства представляет множество проблем. Во-первых, правильные пресинаптические входы должны быть подключены к правильным постсинаптическим входам устройства. Во-вторых, выходные сигналы устройства должны быть правильно направлены на нужную ткань. В-третьих, мозг должен научиться пользоваться имплантатом. Различные исследования пластичности мозга показывают, что этого можно добиться с помощью упражнений, разработанных с надлежащей мотивацией.

Задействованные технологии

Локальные потенциалы поля

Потенциалы локального поля (LFP) представляют собой электрофизиологические сигналы, которые связаны с суммой всей дендритной синаптической активности в объеме ткани. Недавние исследования показывают, что цели и ожидаемая ценность — это когнитивные функции высокого уровня, которые можно использовать для нейронных когнитивных протезов. Кроме того, ученые Университета Райса открыли новый метод настройки вызванных светом вибраций наночастиц путем небольших изменений поверхности, к которой частицы прикреплены. По мнению университета, это открытие может привести к новым применениям фотоники – от молекулярного зондирования до беспроводной связи. Они использовали сверхбыстрые лазерные импульсы, чтобы заставить атомы в золотых нанодисках вибрировать.

Автоматизированные подвижные электрические зонды

Одним из препятствий, которое необходимо преодолеть, является долгосрочная имплантация электродов. Если электроды смещаются в результате физического удара или мозг перемещается в зависимости от положения электродов, электроды могут регистрировать разные нервы. Регулировка электродов необходима для поддержания оптимального сигнала. Индивидуальная настройка многоэлектродных матриц — очень утомительный и трудоемкий процесс. Разработка автоматически регулируемых электродов могла бы смягчить эту проблему. Группа Андерсона в настоящее время сотрудничает с лабораторией Ю-Чонг Тая и лабораторией Бердика (все они находятся в Калифорнийском технологическом институте), чтобы создать такую ​​систему, которая использует приводы на основе электролиза для независимой регулировки электродов в постоянно имплантированном массиве электродов.

Хирургические методы под визуальным контролем

Хирургия под визуальным контролем используется для точного позиционирования мозговых имплантатов.

См. также

• Биомедицинская инженерия
• Интерфейс мозг-компьютер
• Чтение мыслей
• Киборг
• Опытная машина
• Нейронная инженерия
• Нейробезопасность
• Кремниевые чипы протезной нейронной памяти
• Протезирование
• Имитированная реальность
• Wirehead (научная фантастика)

Дальнейшее чтение

• Сантанам Г, Рю СИ, Ю БМ, Афшар А, Шеной КВ. 2006. «Высокопроизводительный интерфейс мозг-компьютер». Природа 442: 195–98.
• 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». Труды IEEE 96: 1073–74.
• Харрисон РР. 2008. «Разработка интегральных схем для наблюдения за активностью мозга». Труды IEEE 96:1203–16.
• Эбботт А. 2006. «Нейропротезирование: в поисках шестого чувства». Природа 442: 125–27.
• Веллист М., Перел С., Сполдинг М.К., Уитфорд А.С., Шварц А.Б. (2008) «Кортикальный контроль протезной руки для самостоятельного питания». Природа . 19;453(7198):1098–101.
• Шварц А.Б., Кюи ХТ, Вебер Д.Д., Моран Д.В. «Интерфейсы, управляемые мозгом: восстановление движений с помощью нейронных протезов». (2006) Нейрон 5;52(1):205–20
• Сантуччи Д.М., Кралик Дж.Д., Лебедев М.А., Николелис М.А. (2005) «Фронтальные и теменные кортикальные ансамбли предсказывают однократную мышечную активность во время движений у приматов». Eur J Neurosci. 22 (6): 1529–40.
• Лебедев М.А., Кармена Дж.М., О'Догерти Дж.Э., Заксенхаус М., Энрикес К.С., Принсипи Дж.К., Николелис М.А. (2005) «Адаптация коркового ансамбля для представления скорости искусственного привода, управляемого интерфейсом мозг-машина». Дж. Нейроски. 25: 4681–93.
• Николелис М.А. (2003) «Интерфейсы «мозг-машина» для восстановления двигательных функций и исследования нейронных цепей». Nat Rev Neurosci. 4: 417–22.
• Вессберг Дж., Стамбо Ч.Р., Кралик Дж.Д., Бек П.Д., Лаубах М., Чапин Дж.К., Ким Дж., Биггс С.Дж., Шринивасан М.А., Николелис М.А. (2000) «Прогнозирование траектории рук в реальном времени с помощью ансамблей корковых нейронов у приматов». Природа 16: 361–65.

Внешние ссылки

• Проект электроэнцефалографии с открытым исходным кодом и версия программируемого чипа , Sourceforge проекты ЭЭГ с открытым исходным кодом
• Веб-сайт доктора Теодора В. Бергера (снимок машины WayBack, 2017 г.)
• Neuroprosthetic.org (нейронауки, искусственный интеллект, протезирование, глубокое обучение и робототехника)
• CIMIT – Центр интеграции медицины и инновационных технологий – достижения и исследования в области нейропротезирования