Гиппокампальный протез
— Протез гиппокампа это разновидность когнитивного протеза (протеза, имплантируемого в нервную систему с целью улучшения или замены функции поврежденной ткани головного мозга). Протезы заменяют нормальную функцию поврежденной части тела; это может быть просто структурная замена (например, реконструктивная хирургия или стеклянный глаз) или элементарная функциональная замена (например, колышек или крючок).
Однако протезирование головного мозга имеет ряд особых категорий и требований. «Входные» протезы, такие как сетчатка или кохлеарный имплантат , передают в мозг сигналы, которые пациент со временем учится интерпретировать как зрение или звук. «Выходное» протезирование использует сигналы мозга для управления бионической рукой или компьютерным устройством и требует значительной подготовки, в ходе которой пациент учится генерировать желаемое действие с помощью своих мыслей. Оба этих типа протезирования полагаются на пластичность мозга, адаптирующуюся к требованиям протеза, что позволяет пользователю «научиться» использовать свою новую часть тела.
Когнитивный протез или протез «мозг-мозг» не включает в себя ни заученные входные, ни выходные сигналы, а собственные сигналы, обычно используемые областью мозга, подлежащей замене (или поддержке). Таким образом, такое устройство должно быть способно полностью заменить функцию небольшого участка нервной системы, используя нормальный режим работы этого отдела. Чтобы добиться этого, разработчикам требуется глубокое понимание работы нервной системы. В объем проектирования должна входить надежная математическая модель, а также технология, позволяющая правильно изготовить и установить когнитивный протез. Основная цель искусственного гиппокампа — обеспечить лекарство от болезни Альцгеймера и других проблем, связанных с гиппокампом. Для этого протез должен иметь возможность получать информацию непосредственно из мозга, анализировать ее и выдавать соответствующие выходные данные в кору головного мозга; другими словами, он должен вести себя точно так же, как естественный гиппокамп. При этом искусственный орган должен быть полностью автономен, поскольку любой внешний источник питания значительно увеличит риск заражения.
Гиппокамп
[ редактировать ]Роль
[ редактировать ]Гиппокамп вызывая является частью лимбической системы человека , которая взаимодействует с неокортексом и другими частями мозга, эмоции . [1] Являясь частью лимбической системы, гиппокамп играет свою роль в формировании эмоций в дополнение к другим своим функциям, таким как консолидация новых воспоминаний, навигация и пространственная ориентация. [2] Гиппокамп отвечает за формирование долгосрочных воспоминаний о узнавании. Другими словами, это та часть мозга, которая позволяет нам ассоциировать лицо с именем. Из-за своей тесной связи с формированием памяти повреждение гиппокампа тесно связано с болезнью Альцгеймера .
Анатомия
[ редактировать ]Гиппокамп — двусторонняя структура, расположенная под неокортексом . Каждый гиппокамп «состоит из нескольких различных подсистем, которые образуют замкнутую петлю обратной связи, при этом входные данные из неокортекса проникают через энторинальную кору, распространяются через внутренние субрегионы гиппокампа и возвращаются в неокортекс». В электронном смысле гиппокамп состоит из части параллельных цепей.
Основные требования
[ редактировать ]Биосовместимость
[ редактировать ]Поскольку протез будет постоянно имплантирован в мозг, долгосрочная биосовместимость необходима . Мы также должны принять во внимание тенденцию поддерживать клетки мозга, такие как астроциты, для инкапсуляции имплантата. (Это естественная реакция клеток мозга, направленная на защиту нейронов ), что ухудшает его функцию. [3]
Биомиметический
[ редактировать ]Будучи биомиметическим , имплантат должен обладать свойствами настоящего биологического нейрона . Для этого нам необходимо иметь глубокое понимание поведения мозга, чтобы построить надежную математическую модель, на которой можно будет основываться. Область вычислительной нейробиологии добилась успехов в этом направлении.
Во-первых, мы должны принять во внимание, что, как и большинство биологических процессов, поведение нейронов сильно нелинейно и зависит от многих факторов: закономерностей входных частот и т. д. Также хорошая модель должна учитывать тот факт, что выражение единичной нервной клетки ничтожно мала, так как процессы осуществляются группами нейронов, взаимодействующих в сети. [4] После установки устройство должно взять на себя все (или, по крайней мере, большую часть) функций поврежденного гиппокампа в течение длительного периода времени. Во-первых, искусственные нейроны должны иметь возможность работать вместе в сети, как настоящие нейроны. Затем у них должны быть работоспособные и эффективные синаптические связи с существующими нейронами мозга; поэтому потребуется модель интерфейса кремний/нейроны.
Размер
[ редактировать ]Имплантат должен быть достаточно маленьким, чтобы его можно было имплантировать, сводя при этом к минимуму побочные повреждения во время и после имплантации.
Двунаправленная связь
[ редактировать ]Чтобы полностью взять на себя функцию поврежденного гиппокампа, протез должен иметь возможность двунаправленно сообщаться с существующей тканью. другими словами, имплант должен иметь возможность получать информацию от мозга и давать соответствующую и сжимаемую обратную связь окружающим нервным клеткам. [4]
Персонализированный
[ редактировать ]Структурные и функциональные характеристики мозга сильно различаются у разных людей; поэтому любой нейронный имплантат должен быть индивидуален для каждого человека, что требует точной модели гиппокампа и использования передовых изображений мозга для определения индивидуальных различий.
Хирургические требования
[ редактировать ]Поскольку протез будет установлен внутри мозга, сама операция будет во многом напоминать операцию по удалению опухоли. Хотя побочный ущерб будет неизбежен, влияние на пациента будет минимальным. [5]
Модель
[ редактировать ]«Чтобы включить нелинейную динамику биологических нейронов в модели нейронов для разработки протеза, сначала необходимо их точно измерить. Мы разработали и применили методы количественной оценки нелинейной динамики нейронов гиппокампа (Berger et al., 1988a, б, 1991, 1992, 1994; Далал и др., 1997) с использованием принципов теории нелинейных систем (Ли и Шетцен, 1965; Крауш, 1975; П.З. Мармарелис и Мармарелис, 1978 г.; Раг, 1981 год; Склабасси и др., 1988). В этом подходе свойства нейронов оцениваются экспериментально путем применения случайной интервальной последовательности электрических импульсов в качестве входных и электрофизиологической регистрации. вызванный выход целевого нейрона во время стимуляции (рисунок 12.2А). Входная последовательность состоит из серии импульсов (до 4064), причем межимпульсные интервалы варьируются в соответствии с процессом Пуассона, имеющим среднее значение 500 мс и диапазон 0,2–5000 мс. Таким образом, входной сигнал является «широкополосным» и стимулирует нейрон в большей части его рабочего диапазона; то есть статистические свойства случайной последовательности хорошо согласуются с известными физиологическими свойствами нейронов гиппокампа. Свойства нелинейного ответа выражаются в терминах связи между временными свойствами все более высокого порядка последовательности входных событий и вероятностью нейронного выхода и моделируются как ядра функционального энергетический ряд ». [4]
Используемые технологии
[ редактировать ]Визуализация
[ редактировать ]Такие технологии, как ЭЭГ , МЭГ , фМРТ и другие технологии визуализации, необходимы для установки имплантата, которая требует высокой точности, чтобы свести к минимуму побочный ущерб (поскольку гиппокамп расположен внутри коры), а также правильное функция устройства.
Кремний/нейронный интерфейс
[ редактировать ]Интерфейс кремний/нейрон будет необходим для правильного взаимодействия кремниевых нейронов протеза и биологических нейронов мозга.
Нейронный сетевой процессор
[ редактировать ]В мозгу задачи выполняются группами взаимосвязанных нейронных сетей, а не одной клеткой, а это означает, что любой протез должен быть способен имитировать поведение этой сети. Для этого нам понадобится большое количество и плотность кремниевых нейронов для создания эффективного протеза; следовательно, процессор нейронной сети гиппокампа высокой плотности для того, чтобы протез мог выполнять задачу биологического гиппокампа, потребуется . Кроме того, интерфейс нейрон/кремний будет необходим для двунаправленной связи имплантированного протеза. Выбор материала и конструкции должен обеспечивать долгосрочную жизнеспособность и биосовместимость, обеспечивая при этом плотность и специфичность соединений. [4]
Источник питания
[ редактировать ]Соответствующий источник питания по-прежнему остается серьезной проблемой для любого нейронного имплантата. Поскольку протезы имплантируются внутрь мозга, не говоря уже о долгосрочной биосовместимости, источник питания потребует ряда спецификаций. Во-первых, источник питания должен быть самоподзаряжающимся. В отличие от других протезов, для нейронного имплантата инфекция представляет гораздо большую проблему из-за чувствительности мозга; поэтому внешний источник питания не предусмотрен. Поскольку мозг также очень чувствителен к теплу, питание и само устройство не должны выделять слишком много тепла, чтобы не нарушить работу мозга.
Кремниевые чипы протезной нейронной памяти
[ редактировать ]Кремниевый чип протезной нейрональной памяти — это устройство, имитирующее процесс мозга по созданию долговременной памяти. Прототип этого устройства был разработан Теодором Бергером , биомедицинским инженером и неврологом из Университета Южной Калифорнии . Бергер начал работать над дизайном в начале 1990-х годов. Он сотрудничал с коллегами-исследователями, которые смогли имплантировать электроды крысам и обезьянам, чтобы проверить восстановление функции памяти. Недавние исследования показывают, что система может формировать долговременную память во многих различных поведенческих ситуациях. Бергер и его коллеги надеются в конечном итоге использовать эти чипы в качестве электронных имплантатов для людей, чей мозг страдает от таких заболеваний, как болезнь Альцгеймера, которые нарушают работу нейронных сетей.
Технологии и медицинское применение
[ редактировать ]Чтобы начать создавать протез мозга, Бергер и его коллега Василис Мармарелис, биомедицинский инженер из Университета Южной Калифорнии, работали со срезами гиппокампа крыс. Поскольку они знали, что сигналы нейронов передаются от одной стороны гиппокампа к другой, исследователи посылали случайные импульсы в гиппокамп, записывали сигналы в определенных местах, чтобы увидеть, как они изменяются, а затем вывели уравнения, отражающие эти изменения. Затем они запрограммировали эти уравнения в компьютерные чипы.
Затем им нужно было определить, можно ли использовать чип в качестве протеза или имплантата для поврежденного участка гиппокампа. Для этого им пришлось выяснить, можно ли избежать центрального компонента пути в срезах мозга. Они поместили в эту область электроды, которые передавали электрические импульсы на внешний чип. Затем чип выполнил преобразования, которые обычно выполняются в гиппокампе, а другие электроды отправили сигналы обратно в участок мозга.
Коды памяти
[ редактировать ]В 1996 году доктор Сэм А. Дедвайлер из баптистского медицинского центра Уэйк Форест в Уинстон-Сейлеме, Северная Каролина, изучал закономерности активности скоплений нейронов гиппокампа, в то время как крысы выполняли задачу, требующую кратковременной памяти. Эти «ансамбли» или коллекции нейронов срабатывают по разным шаблонам как во времени, так и в «пространстве» (в данном случае пространство относится к разным нейронам, распределенным по всему гиппокампу) в зависимости от типа поведения, требуемого для выполнения задачи. Что еще более важно, Дедвайлер и его коллеги смогли выявить закономерности, которые четко различали различные стимулы в задании, включая положение (похожее на расположение клеток), поведенческие реакции и то, какая часть задания выполнялась. Анализ, основанный только на активности нейронного ансамбля без учета этих переменных, может идентифицировать и даже «предсказать» некоторые из этих переменных еще до того, как они возникнут. [6] Фактически, шаблоны даже могли определить, когда крыса собиралась совершить ошибку при выполнении задания. [7] В течение следующих десяти лет лаборатория Дедвайлера усовершенствовала анализ, чтобы идентифицировать «коды» и улучшила способность прогнозировать правильные и ошибочные ответы, вплоть до того, что необученные крысы смогли выполнить задание на запоминание, используя стимуляцию гиппокампа кодами, полученными из полностью обученные крысы. [8] Открытие кодов памяти в гиппокампе побудило Дедвайлера объединить усилия с Бергером для будущих исследований, в ходе которых команда Бергера разработает модели функции памяти в гиппокампе, а команда Дедвайлера проверит эти модели на крысах и обезьянах и в конечном итоге перейдет к исследованиям на людях.
Испытания на крысах и обезьянах
[ редактировать ]Чтобы перейти к бодрствующим животным с хорошим поведением, Бергер в партнерстве с Дедвайлером и доктором Робертом Э. Хэмпсоном из Уэйк Форест протестировал прототип протеза памяти, подключенного к мозгу крыс и обезьян через электроды для анализа информации, точно так же, как настоящий гиппокамп. Модель протеза позволила даже поврежденному гиппокампу генерировать новые воспоминания. В одной из демонстраций Дедвайлер и Хэмпсон нарушили способность крыс формировать долговременную память с помощью фармакологических агентов . Это нарушило работу нейронной сети, которая передает сообщения между двумя субобластями гиппокампа. Эти субрегионы, CA1 и CA3, взаимодействуют, создавая долговременную память. Крысы не могли вспомнить, какой рычаг им нужно нажать, чтобы получить награду. Затем исследователи разработали искусственный гиппокамп, который мог бы дублировать схему взаимодействия между взаимодействиями CA3-CA1, анализируя нервные спайки в клетках с помощью электродной решетки , а затем воспроизводя ту же схему на том же массиве. После стимуляции гиппокампа крыс с помощью математической модели протеза их способность определять правильный рычаг резко улучшилась. Этот искусственный гиппокамп сыграл значительную роль на стадии разработки протеза памяти, поскольку он показал, что если протезное устройство и связанные с ним электроды были имплантированы животным с неисправным гиппокампом, устройство потенциально могло восстановить способность памяти. как у обычных крыс. [9]
Цели на будущее
[ редактировать ]Исследовательские группы из Университета Южной Калифорнии и Уэйк Форест работают над тем, чтобы возможно сделать эту систему применимой к людям, чей мозг пострадал от болезни Альцгеймера , инсульта или травмы. Нарушение нейронных сетей часто останавливает формирование долговременных воспоминаний. Система, разработанная Бергером и реализованная Дедвайлером и Хэмпсоном, позволяет осуществлять обработку сигналов, которая естественным образом происходит в неповрежденных нейронах. В конечном итоге они надеются восстановить способность создавать долговременную память, имплантируя подобные чипы в мозг. [10]
Последние разработки
[ редактировать ]Теодор Бергер и его коллеги из Университета Южной Калифорнии в Лос-Анджелесе разработали действующий протез гиппокампа, который в 2004 году прошел испытание на живых тканях на срезах ткани головного мозга. [11] В 2011 году в сотрудничестве с Drs. Сэм А. Дедвайлер и Роберт Э. Хэмпсон из Баптистского медицинского центра Уэйк Форест успешно протестировали экспериментальный протез гиппокампа на бодрствующих и ведущих себя крысах. [12] Протез представлял собой многозонные электроды, расположенные для записи как с входной, так и с выходной «стороны» поврежденного гиппокампа, входные данные собираются и анализируются внешними вычислительными чипами, вычисляется соответствующая обратная связь, а затем используется для стимуляции соответствующего выходного сигнала. в мозгу так, что протез функционировал как настоящий гиппокамп. [13] В 2012 году команда протестировала дальнейшую реализацию в префронтальной коре макак. [14] дальнейшее развитие технологии нейронных протезов. В 2013 году Хэмпсон и др. успешно протестировали протез гиппокампа на приматах. [15] Хотя устройство еще не представляет собой полностью имплантируемый «чип», эти испытания, от крыс до обезьян, демонстрируют эффективность устройства в качестве нейронного протеза и поддерживают его применение в испытаниях на людях. [16]
Подтверждение концепции протеза гиппокампа человека
[ редактировать ]В 2018 году команда под руководством Роберта Э. Хэмпсона из Wake Forest Baptist Medical, в которую входили Бергер и Дедвайлер, стала первой, кто продемонстрировал эффективность модели протеза на пациентах-людях. Субъектам имплантировали электроды в мозг в Уэйк Форест в рамках медицинской диагностической процедуры эпилепсии. Находясь в больнице, пациенты с электродами в гиппокампе добровольно выполняли задачу на память на компьютере, в то время как нейронная активность гиппокампа записывалась, чтобы Бергер и его команда из Университета Южной Калифорнии могли настроить модель протеза гиппокампа для этого пациента. Имея модель в руках, команда Wake Forest смогла продемонстрировать улучшение функции памяти до 37% у пациентов с памятью, нарушенной в результате заболевания. Улучшение было продемонстрировано для воспоминаний в течение 75 минут после стимуляции протезной моделью гиппокампа. [17] По состоянию на 2018 год запланированы исследования по проверке кодов памяти на наличие дополнительных атрибутов и особенностей запоминаемых объектов, а также на продолжительность облегчения памяти, превышающую 24 часа.
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Кэмпбелл Н.А. Биология (изд. Éditions du Renouveau Pédagogique Inc.). п. 114.
- ^ Бэйли Р. «Гиппокамп и память» . МысльКо .
- ^ Сеймур Дж. П., Кипке Д. Р. (сентябрь 2007 г.). «Дизайн нейронного зонда для уменьшения инкапсуляции тканей в ЦНС». Биоматериалы . 28 (25): 3594–607. doi : 10.1016/j.bimaterials.2007.03.024 . ПМИД 17517431 .
- ^ Перейти обратно: а б с д Бергер Т.В., Бринтон Р.Д., Мармарелис В.З., Шу Б.Дж., Тангуай А.Р. (2005). «Имплантируемая в мозг биомиметическая электроника как нейронный протез для функции памяти гиппокампа». . На пути к запасным частям для мозга: имплантируемая биомиметическая электроника в качестве нейронных протезов . Кембридж: MIT Press. ISBN 978-0-262-02577-5 .
- ^ Роу Д.Г. (12 марта 2003 г.). «Обнаружен первый в мире протез мозга» . Новый учёный .
- ^ Дедвайлер С.А., Банн Т., Хэмпсон Р.Э. (январь 1996 г.). «Активность ансамбля гиппокампа во время пространственной задержки несоответствия образцу у крыс» . Журнал неврологии . 16 (1): 354–72. doi : 10.1523/JNEUROSCI.16-01-00354.1996 . ПМК 6578714 . ПМИД 8613802 .
- ^ Хэмпсон Р.Э., Дедвайлер С.А. (ноябрь 1996 г.). «Ансамблевые коды, включающие нейроны гиппокампа, подвергаются риску во время отложенных тестов производительности» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 93 (24): 13487–93. Бибкод : 1996PNAS...9313487H . дои : 10.1073/pnas.93.24.13487 . ПМК 33635 . ПМИД 8942961 .
- ^ Дедвайлер С.А., Бергер Т.В., Суэтт А.Дж., Сонг Д., Чан Р.Х., Оприс I, Герхардт Г.А., Мармарелис В.З., Хэмпсон Р.Э. (2013). «Улучшение памяти донора/реципиента в гиппокампе крысы» . Границы системной нейронауки . 7 : 120. дои : 10.3389/fnsys.2013.00120 . ПМЦ 3872745 . ПМИД 24421759 .
- ^ Анжелика А (17 июня 2013 г.). «Электронная система гиппокампа включает и выключает долговременную память, улучшает познавательные способности» . Курцвейл А.И.
- ^ Коэн Дж. (23 апреля 2013 г.). «Имплантаты памяти» . Обзор технологий Массачусетского технологического института .
- ^ Филлипс Х (25 октября 2004 г.). «Протез головного мозга прошел испытание на живых тканях» . Новый учёный .
- ^ Бергер Т.В., Хэмпсон Р.Э., Сонг Д., Гунавардена А., Мармарелис В.З., Дедвайлер С.А. (август 2011 г.). «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 .
- ^ Локлир Ф. (12 марта 2003 г.). «Гиппокамп на чипе» . Арс Техника .
- ^ Хэмпсон Р.Э., Герхардт Г.А., Мармарелис В., Сонг Д., Оприс И., Сантос Л., Бергер Т.В., Дедвайлер С.А. (октябрь 2012 г.). «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., Оприс I, Сантос Л.М., Шин Д.С., Герхардт Г.А., Мармарелис В.З., Бергер Т.В., Дедвайлер С.А. (декабрь 2013 г.). «Облегчение кодирования памяти в гиппокампе приматов с помощью нейропротеза, который способствует активации нейронов, специфичных для конкретной задачи» . Журнал нейронной инженерии . 10 (6): 066013. Бибкод : 2013JNEng..10f6013H . дои : 10.1088/1741-2560/10/6/066013 . ПМЦ 3919468 . ПМИД 24216292 .
- ^ Эйси М (8 мая 2013 г.). «Мозговые имплантаты: восстановление памяти с помощью микрочипа» . CNN .
- ^ Хэмпсон Р.Э., Сонг Д., Робинсон Б.С., Феттерхофф Д., Дакос А.С., Редер Б.М. и др. (июнь 2018 г.). «Разработка нейронного протеза гиппокампа для облегчения кодирования и воспроизведения человеческой памяти» . Журнал нейронной инженерии . 15 (3): 036014. Бибкод : 2018JNEng..15c6014H . дои : 10.1088/1741-2552/aaaed7 . ПМК 6576290 . ПМИД 29589592 .