Кортикальный имплантат
— Кортикальный имплантат это разновидность нейропротезирования , которая находится в прямой связи с корой головного мозга . Непосредственно взаимодействуя с различными областями коры, кортикальный имплант может стимулировать определенную область и давать различные преимущества в зависимости от его конструкции и расположения. Типичный кортикальный имплантат представляет собой имплантируемую решетку микроэлектродов , представляющую собой небольшое устройство, через которое можно принимать или передавать нервный сигнал.
Целью кортикального имплантата и нейропротеза в целом является «замена нейронных цепей в мозге, которые больше не функционируют должным образом». [1]
Обзор
[ редактировать ]Кортикальные имплантаты имеют широкий спектр потенциальных применений: от восстановления зрения слепым пациентам до помощи пациентам с деменцией . Учитывая сложность мозга, возможности этих мозговых имплантатов расширить свою полезность практически безграничны. Некоторые ранние работы по кортикальным имплантатам 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 (прямо) или эпикортикально (косвенно). [3] Внутрикортикальные имплантаты имеют электроды, которые проникают в мозг, а эпикортикальные имплантаты имеют электроды, стимулирующие поверхность. Эпикортикальные имплантаты в основном записывают потенциалы поля вокруг себя и, как правило, более гибки по сравнению со своими внутрикортикальными аналогами. Поскольку внутрикорковые имплантаты проникают глубже в мозг, для них требуется более жесткий электрод. [2] Однако из-за микродвижений головного мозга необходима некоторая гибкость, чтобы предотвратить повреждение мозговой ткани.
Визуальные имплантаты
[ редактировать ]Определенные типы корковых имплантатов могут частично восстанавливать зрение путем непосредственной стимуляции зрительной коры . [4] Первые работы по восстановлению зрения посредством кортикальной стимуляции начались в 1970 году с работы Бриндли и Добелле. В ходе первоначальных экспериментов некоторые пациенты смогли распознавать небольшие изображения на довольно близких расстояниях. Их первоначальный имплантат был основан на поверхности зрительной коры и не обеспечивал настолько четкого изображения, насколько мог, с дополнительным недостатком в виде 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 при меньшей мощности, тем самым вызывая меньший ущерб. Одним из основных преимуществ этого метода искусственного зрения по сравнению с любым другим зрительным протезом является то, что он обходит многие нейроны зрительного пути, которые могут быть повреждены, потенциально восстанавливая зрение большему числу 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 длительных периодов времени. Если имплантат необходимо удалить или повторно установить через несколько лет, могут возникнуть осложнения. Зрительная кора головного мозга гораздо сложнее и с ней труднее иметь дело, чем другие области, где возможно искусственное зрение, такие как сетчатка или зрительный нерв . Зрительное поле гораздо легче обрабатывать в других местах, помимо зрительной коры. Кроме того, каждая область коры головного мозга отвечает за различные аспекты зрения, поэтому простая прямая стимуляция не обеспечит пациентов полными изображениями. Наконец, хирургические операции, связанные с мозговыми имплантатами, представляют собой чрезвычайно высокий риск для пациентов, поэтому исследования требуют дальнейшего совершенствования. Однако кортикальные зрительные протезы важны для людей с полностью поврежденной сетчаткой, зрительным нервом или латеральным коленчатым телом, поскольку они являются одним из единственных способов восстановления зрения, поэтому необходимо искать дальнейшие разработки. . [4]
Достижения в области визуальных имплантатов направлены на стимуляцию определенных областей зрительной коры . Средневисочная область (MT), имеющая решающее значение для восприятия движения, является ключевой целью электрической стимуляции для искусственного создания плавного движения. Точная имплантация электрода при МТ представляет собой проблему из-за его расположения в окружении борозд. Продолжающиеся исследования изучают многозонную стимуляцию между МТ и первичной зрительной корой (V1) с целью понять ее влияние на выработку фосфенов (зрительная иллюзия) и восприятие движения. Этот многозонный подход, воздействующий на различные области зрительной системы, обещает улучшить четкость и производительность зрительных имплантатов, предлагая потенциальные возможности для более эффективного восстановления зрения. [5]
Слуховые имплантаты
[ редактировать ], мало что сделано Хотя в разработке эффективного слухового протеза, который напрямую взаимодействует со слуховой корой , существуют некоторые устройства, такие как кохлеарный имплант и слуховой имплантат ствола мозга , представленные доктором Уильямом Хаусом и его командой, которые были успешно восстановил слух глухих пациентов. [6] Кохлеарный имплант нацелен на улитковый или слуховой нерв, и люди, у которых есть проблемы с этим нервом, никогда не смогут извлечь из него пользу. В качестве альтернативы можно использовать слуховой протез ствола мозга. [7]
Также были проведены исследования, в которых использовались массивы микроэлектродов для снятия показаний со слуховой коры животных. Одно исследование было проведено на крысах с целью разработки имплантата, который позволял бы одновременно считывать показания как со слуховой коры, так и с таламуса . Показания этой новой микроэлектродной матрицы по четкости были аналогичны показаниям других легкодоступных устройств, которые не обеспечивали такие же одновременные показания. [8] Благодаря подобным исследованиям можно добиться прогресса, который может привести к созданию новых слуховых протезов.
Чтобы решить проблемы, с которыми сталкиваются традиционные слуховые протезы, многие нетрадиционные слуховые протезы, такие как имплантаты костной проводимости и имплантаты среднего уха, все еще находятся в стадии исследования. Протез костной проводимости стимулирует улитку, вызывая вибрации черепа. Протез среднего уха, имплантированный частично или полностью, вызывает прямую вибрацию цепи слуховых косточек (косточек или косточек уха). Несмотря на осложнения, которые могут вызывать эти протезы, их цель — улучшить передачу звуковых колебаний во внутреннее ухо и, как следствие, улучшить слуховые способности. [9]
Когнитивные имплантаты
[ редактировать ]Некоторые кортикальные имплантаты были разработаны для улучшения когнитивных функций. Эти имплантаты помещаются в префронтальную кору или гиппокамп . Имплантаты в префронтальной коре помогают восстановить внимание, принятие решений и выбор движений, дублируя министолбчатую организацию нейронных импульсов. [10] Цель протезирования гиппокампа – помочь пациенту полностью восстановить возможности долговременной памяти . Исследователи пытаются определить нейронную основу памяти, выясняя, как мозг кодирует различные воспоминания в гиппокампе.
Имитируя естественное кодирование мозга с помощью электрической стимуляции, исследователи стремятся заменить поврежденные участки гиппокампа и восстановить его функцию. [11] лечении ряда состояний, влияющих на когнитивные функции, таких как инсульт , болезнь Альцгеймера и травма головы Разработка протеза гиппокампа может помочь в . Эпилепсия также связана с дисфункцией области CA3 гиппокампа. [12]
Интерфейсы «мозг-компьютер»
[ редактировать ]Интерфейс мозг -компьютер (BCI) — это тип имплантата, который обеспечивает прямую связь между мозгом пациента и каким-либо внешним оборудованием. С середины 1990-х годов объем исследований BCI как на животных, так и на человеческих моделях вырос в геометрической прогрессии. Большинство интерфейсов «мозг-компьютер» используются для той или иной формы извлечения нейронного сигнала, в то время как некоторые пытаются вернуть ощущение через имплантированный сигнал. [3] В качестве примера извлечения сигнала можно привести BCI, который может принимать сигнал от мозга пациента с параличом нижних конечностей и использовать его для перемещения роботизированного протеза . Парализованные пациенты получают большую пользу от этих устройств, поскольку они позволяют вернуть пациенту контроль. Текущие исследования интерфейсов «мозг-компьютер» сосредоточены на определении того, какими областями мозга человек может манипулировать. Большинство исследований сосредоточено на сенсомоторной области мозга, используя воображаемые двигательные действия для управления устройствами, в то время как некоторые исследования пытались определить, будет ли сеть когнитивного контроля подходящим местом для имплантации. Эта область представляет собой «нейронную сеть, которая координирует психические процессы для выполнения явных намерений или задач», управляя устройством намерением, а не воображаемым движением. [13] Примером возвращения ощущения через имплантированный сигнал может быть развитие тактильной реакции на протез конечности. У людей с ампутированными конечностями нет сенсорной реакции в протезах, но имплантат в их соматосенсорной коре потенциально может дать им искусственное чувство осязания.
Текущим примером интерфейса мозг-компьютер может быть BrainGate , устройство, разработанное Cyberkinetics . Этот BCI в настоящее время проходит второй раунд клинических испытаний, начиная с мая 2009 года. В более раннем исследовании участвовал пациент с тяжелой травмой спинного мозга , не способный контролировать ни одну из своих конечностей. Ему удалось управлять компьютерной мышкой, используя только мысли. Были сделаны дальнейшие разработки, которые позволяют реализовать более сложный интерфейс, например, управление роботизированной рукой.
Применение BCI появляется на протяжении многих лет, особенно для решения проблем, связанных с нейродегенеративными заболеваниями, такими как боковой амиотрофический склероз (АЛС), болезнь Паркинсона (БП), болезнь Альцгеймера (БА) и спинальная мышечная атрофия (СМА). [14]
При AD, прогрессирующем фатальном нейродегенеративном заболевании, BCI сталкиваются с проблемами из-за снижения когнитивных функций. В некоторых инновационных исследованиях использовалась техника под названием «классическое кондиционирование с помощью функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ) и ИМК». Основная идея заключалась в том, чтобы сформировать связь между определенными намеренными умственными действиями или мыслями и эмоциональными реакциями или стимулами. Несмотря на ограничения, этот новый подход, по-видимому, имеет потенциал для нейрореабилитации БА. [14]
ИМК также играют роль в улучшении двигательной функции путем перевода импульсов нейронов в двигательные команды при БП, которая характеризуется двигательными нарушениями. Исследования с использованием потенциалов локального поля от электродов глубокой стимуляции мозга (DBS) показали улучшение двигательных функций. нейробиоуправление через BCI, основанное на электроэнцефалографии Было исследовано, что (ЭЭГ) или фМРТ, регулирует активность мозга. ИМК с обратной связью по ЭЭГ в первую очередь направлены на конкретное обнаружение преднамеренных движений с целью уменьшения неврологического тремора в сочетании с такими технологиями, как функциональная электрическая стимуляция (ФЭС). [14]
Более того, ИМК потенциально улучшают мышечный контроль у пациентов со СМА, тех, кто страдает нейродегенерацией в передних рогах спинного мозга, что приводит к прогрессирующей мышечной слабости. В некоторых исследованиях с пациентами со СМА изучалась интеграция BCI в системы управления для включения удаленных устройств, таких как телевизоры и телефоны. Другие исследования были сосредоточены на предоставлении людям со СМА возможности манипулировать роботизированной рукой с помощью поверхностной электромиографии (пЭМГ). [14]
Преимущества
[ редактировать ]Возможно, одно из самых больших преимуществ кортикальных имплантатов перед другими нейропротезами — это прямое взаимодействие с корой. Обход поврежденных тканей зрительного пути позволяет охватить более широкий круг поддающихся лечению пациентов. Эти имплантаты также могут выступать в качестве замены поврежденных тканей коры головного мозга. Идея биомимикрии позволяет имплантату действовать как альтернативный путь передачи сигналов.
Недостатки
[ редактировать ]Наличие любого имплантата, который напрямую связан с корой головного мозга, представляет некоторые проблемы. Основной проблемой кортикальных имплантатов является биосовместимость , или то, как организм отреагирует на инородный объект. Если организм отторгает имплантат, то имплантат принесет пациенту больше вреда, чем пользы. Помимо биосовместимости, после установки имплантата у организма может возникнуть на него неблагоприятная реакция в течение длительного периода времени, что сделает имплантат бесполезным. [15] Имплантация массива микроэлектродов может привести к повреждению окружающих тканей. Развитие рубцовой ткани вокруг электродов может помешать некоторым сигналам достичь нейронов, для которых предназначен имплантат. Большинству микроэлектродных матриц требуется, чтобы тела нейронных клеток находились в пределах 50 мкм от электродов, чтобы обеспечить наилучшее функционирование, и исследования показали, что у животных с хроническими имплантациями плотность клеток в этом диапазоне значительно снижается. [15] Было показано, что имплантаты также вызывают нейродегенерацию в месте имплантации.
Нейронное кодирование представляет собой трудность, с которой сталкиваются кортикальные имплантаты, в частности имплантаты, отвечающие за познание. Исследователи обнаружили трудности с определением того, как мозг кодирует отдельные воспоминания. Например, то, как мозг кодирует воспоминания о стуле, сильно отличается от того, как он кодирует лампу. Полное понимание нейронного кода позволит добиться большего прогресса в разработке протеза гиппокампа, который сможет более эффективно улучшать память.
Из-за уникальности коры головного мозга каждого пациента сложно стандартизировать процедуры прямой имплантации. [4] Мозг имеет много общих физических особенностей, но отдельные извилины или борозды (нейроанатомия) могут отличаться при сравнении. Это приводит к трудностям, поскольку каждая процедура становится уникальной, а ее выполнение занимает больше времени. Кроме того, характер предполагаемого эффекта микроэлектродной матрицы ограничен из-за заявленной дисперсии, представленной в связи с уникальностью индивидуальной коры, то есть различиями. Современные массивы микроэлектродов также ограничены из-за их физического размера и достижимой скорости обработки данных/возможностей; которые продолжают регулироваться в соответствии с характеристиками, диктуемыми в соответствии с законом Мура .
Будущие разработки
[ редактировать ]По мере проведения дополнительных исследований будут осуществляться дальнейшие разработки, которые повысят жизнеспособность и удобство использования кортикальных имплантатов. Уменьшение размера имплантатов поможет сделать процедуры менее сложными и уменьшить их объем. По мере разработки также учитывается долговечность этих устройств. Цель разработки новых имплантатов состоит в том, чтобы «избежать гидролитической, окислительной и ферментативной деградации, вызванной суровыми условиями человеческого тела, или, по крайней мере, замедлить ее до минимума, который позволит интерфейсу работать в течение длительного периода времени». прежде чем его наконец придется обменять». [2] Количество полимеров, которые теперь можно использовать для нейронных имплантатов, увеличилось, что позволяет создавать большее разнообразие устройств. По мере совершенствования технологий исследователи могут более плотно размещать электроды в массивах, обеспечивая высокую селективность. [2] Другая область исследований — аккумуляторные блоки, питающие эти устройства. Были предприняты попытки уменьшить общий размер и громоздкость этих упаковок, чтобы сделать их менее навязчивыми для пациента. Снижение количества энергии, требуемой каждым имплантатом, также представляет интерес, поскольку это уменьшит количество тепла, выделяемого имплантатом, и, следовательно, уменьшит риск повреждения окружающих тканей.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Бергер, ТВ; Хэмпсон, Р.Э.; Сонг, Д.; Гунавардена, А.; Мармарелис, ВЗ; Дедвайлер, SA (2011). «Кортико-нейронный протез для восстановления и улучшения памяти» . Журнал нейронной инженерии . 8 (4): 046017. Бибкод : 2011JNEng...8d6017B . дои : 10.1088/1741-2560/8/4/046017 . ПМК 3141091 . ПМИД 21677369 .
- ^ Jump up to: а б с д Хасслер, К.; Бореций, Т.; Штиглиц, Т. (2011). «Полимеры для нервных имплантатов» . Журнал науки о полимерах, часть B: Физика полимеров . 49 (1): 18–33. Бибкод : 2011JPoSB..49...18H . дои : 10.1002/polb.22169 .
- ^ Jump up to: а б Конрад, П.; Шанкс, Т. (2010). «Имплантируемый мозговой компьютерный интерфейс: проблемы перевода нейротехнологий». Нейробиология болезней . 38 (3): 369–375. дои : 10.1016/j.nbd.2009.12.007 . ПМИД 20035870 . S2CID 39225419 .
- ^ Jump up to: а б с д Фернандес, RAB; Диниз, Б.; Рибейро, Р.; Хумаюн, М. (2012). «Искусственное зрение посредством стимуляции нейронов». Письма по неврологии . 519 (2): 122–128. дои : 10.1016/j.neulet.2012.01.063 . ПМИД 22342306 . S2CID 25306195 .
- ^ Мейкле, С.Дж.; Вонг, Ю.Т. (2022). «Нейрофизиологические аспекты зрительных имплантатов». Структура и функции мозга . 227 (4): 1523–1543. дои : 10.1007/s00429-021-02417-2 . eISSN 1863-2661 . ПМИД 34773502 . S2CID 244076484 .
- ^ Эшраги, Адриан А.; Назарян, Ронен; Телиски, Фред Ф.; Раджгуру, Сухруд М.; Правда, Эрик; Гупта, Ки (ноябрь 2012 г.). «Кохлеарный имплантат: исторические аспекты и перспективы» . Анатомическая запись . 295 (11): 1967–1980. дои : 10.1002/ar.22580 . eISSN 1932-8486 . ПМК 4921065 . ПМИД 23044644 .
- ^ Дип, Николас Л.; Чоудхури, Байшахи; Роланд, Дж. Томас (апрель 2019 г.). «Слуховая имплантация ствола мозга: обзор» . Журнал неврологической хирургии. Часть Б. Основание черепа . 80 (2): 203–208. дои : 10.1055/s-0039-1679891 . ISSN 2193-6331 . ПМЦ 6438789 . ПМИД 30931229 .
- ^ Маккарти, ПТ; Рао, член парламента; Отто, KJ (2011). «Одновременная запись слуховой коры и таламуса крыс с помощью микроэлектродного устройства на основе титана» . Журнал нейронной инженерии . 8 (4): 046007. Бибкод : 2011JNEng...8d6007M . дои : 10.1088/1741-2560/8/4/046007 . ПМК 3158991 . ПМИД 21628772 .
- ^ Кампстон, Эван; Чен, Филип (2023 г.), «Имплантируемые слуховые аппараты» , StatPearls , Остров сокровищ (Флорида): StatPearls Publishing, PMID 35201706 , получено 6 января 2024 г.
- ^ Хэмпсон, RE; Герхардт, Джорджия; Мармарелис, В.; Сонг, Д.; Оприс, И.; Сантос, Л.; Дедвайлер, SA (2012). «Облегчение и восстановление когнитивных функций в префронтальной коре приматов с помощью нейропротеза, который использует нейронные импульсы, специфичные для мини-колонок» . Журнал нейронной инженерии . 9 (5): 056012. Бибкод : 2012JNEng...9e6012H . дои : 10.1088/1741-2560/9/5/056012 . ПМК 3505670 . ПМИД 22976769 .
- ^ Хэмпсон, Р.Э.; Сонг, Д.; Чан, РХМ; Суэтт, Эй Джей; Райли, MR; Герхардт, Джорджия; Дедвайлер, SA (2012). «Нелинейная модель когнитивного протеза гиппокампа: улучшение памяти путем стимуляции ансамбля гиппокампа» . Транзакции IEEE по нейронным системам и реабилитационной технике . 20 (2): 184–197. дои : 10.1109/tnsre.2012.2189163 . ПМЦ 3397311 . ПМИД 22438334 .
- ^ Бергер, ТВ; Ахуджа, А.; Куреллис, SH; Дедвайлер, ЮАР; Эринджипурат, Г.; Герхардт, Джорджия; Уиллс, Дж. (2005). «Восстановление утраченных когнитивных функций». Журнал IEEE Engineering in Medicine and Biology . 24 (5): 30–44. дои : 10.1109/member.2005.1511498 . ПМИД 16248115 . S2CID 21757473 .
- ^ Ванстинзель, MJ; Гермес, Д.; Аарнутс, Э.Дж.; Бляйхнер, М.Г.; Шалк, Г.; ван Риен, ПК; Рэмси, Северная Каролина (2010). «Взаимодействие мозг-компьютер на основе когнитивного контроля». Анналы неврологии . 67 (6): 809–816. дои : 10.1002/ana.21985 . ПМИД 20517943 . S2CID 16937026 .
- ^ Jump up to: а б с д Тайеби, Хосейн; Азаднаяфабад, Сина; Маруфи, Сейед Фарзад; Пур-Рашиди, Ахмад; Хорасанизаде, Мирходжат; Фарамарзи, Сина; Славин, Константин В. (31 мая 2023 г.). «Применение интерфейсов мозг-компьютер при нейродегенеративных заболеваниях» . Нейрохирургический обзор . 46 (1): 131. doi : 10.1007/s10143-023-02038-9 . ISSN 1437-2320 . ПМИД 37256332 . S2CID 258972284 .
- ^ Jump up to: а б Поттер, Калифорния; Бак, AC; Селф, ВК; Кападона, младший (2012). «Ножевое ранение и имплантация устройства в мозг приводят к обратно-многофазным нейровоспалительным и нейродегенеративным реакциям». Журнал нейронной инженерии . 9 (4): 046020. Бибкод : 2012JNEng...9d6020P . дои : 10.1088/1741-2560/9/4/046020 . ПМИД 22832283 . S2CID 28824747 .