Нейротрофический электрод
Нейротрофический электрод — это внутрикорковое устройство, предназначенное для считывания электрических сигналов, которые мозг использует для обработки информации. Он состоит из небольшого полого стеклянного конуса, прикрепленного к нескольким электропроводящим золотым проволокам. Термин «нейротрофический» означает «относящийся к питанию и поддержанию нервной ткани», а свое название устройство получило из-за того, что оно покрыто матригелем и фактором роста нервов , которые способствуют расширению нейритов через его кончик. [1] Он был изобретен неврологом доктором Филипом Кеннеди и впервые был успешно имплантирован пациенту-человеку в 1996 году нейрохирургом Роем Бакаем. [2]
Фон
[ редактировать ]Мотивация к развитию
[ редактировать ]Жертвы синдрома запертости когнитивно не повреждены и осознают свое окружение, но не могут двигаться или общаться из-за почти полного паралича произвольных мышц. В первых попытках вернуть некоторую степень контроля этим пациентам исследователи использовали корковые сигналы, полученные с помощью электроэнцефалографии (ЭЭГ), для управления курсором мыши. Однако ЭЭГ не хватает скорости и точности, которые можно получить, используя прямой кортикальный интерфейс. [3]
Имплантированные электроды также могут помочь пациентам с другими двигательными заболеваниями, такими как боковой амиотрофический склероз и церебральный паралич , а также тем, кто перенес тяжелый инсульт или травму спинного мозга. Корковые сигналы могут использоваться для управления роботизированными конечностями, поэтому по мере совершенствования технологий и снижения рисков процедуры прямой интерфейс может даже оказать помощь людям с ампутированными конечностями. [4]
Разработка дизайна
[ редактировать ]Когда доктор Кеннеди разрабатывал электрод, он знал, что ему нужно устройство, которое было бы беспроводным, биологически совместимым и способным к постоянной имплантации. Первоначальные исследования на макаках-резусах и крысах показали, что нейротрофический электрод способен к постоянной имплантации на срок до 14 месяцев (позже испытания на людях показали еще большую надежность). [5] Такое долголетие имело неоценимое значение для исследований, поскольку, пока обезьян обучали выполнению задания, нейроны, которые изначально молчали, начали активироваться по мере усвоения задания — явление, которое нельзя было бы наблюдать, если бы электрод не был способен к долгосрочной имплантации. [1]
Компоненты
[ редактировать ]Стеклянный конус
[ редактировать ]Стеклянный конус имеет длину всего 1–2 мм и наполнен трофическими факторами , стимулирующими рост аксонов и дендритов через его кончик и полое тело. Когда нейриты достигают заднего конца конуса, они воссоединяются с нейропилем на этой стороне, который фиксирует стеклянный конус на месте. В результате возможна стабильная и надежная долгосрочная запись. [6] Конус располагается кончиком вблизи пятого слоя коры, среди тел клеток кортикоспинального тракта , и вставляется под углом 45° от поверхности на глубину около 5–6 мм. [7]
Золотые провода
[ редактировать ]Три или четыре золотые проволоки приклеены к внутренней части стеклянного конуса и выступают наружу. Они фиксируют электрическую активность аксонов, проросших через конус, и изолированы тефлоном . Провода свернуты в спираль, чтобы уменьшить напряжение, поскольку с одного конца они встроены в кору головного мозга, а с другого прикреплены к усилителям, прикрепленным к внутренней части черепа. К каждому усилителю подключаются два провода для обеспечения дифференциальной передачи сигналов . [7]
Беспроводной передатчик
[ редактировать ]Одной из самых сильных сторон нейротрофического электрода является его беспроводная связь, поскольку без трансдермального подключения риск заражения значительно снижается. Когда нервные сигналы собираются электродами, они проходят вверх по золотым проводам через череп, где передаются на биоусилители (обычно реализуемые дифференциальными усилителями ). Усиленные сигналы передаются через коммутатор на передатчик , где они преобразуются в сигналы FM и транслируются с помощью антенны. Усилители и передатчики питаются от индукционного сигнала частотой 1 МГц, который выпрямляется и фильтруется. Антенна, усилители, аналоговые переключатели и FM-передатчики размещены на стандартной печатной плате для поверхностного монтажа , которая располагается прямо под кожей головы. Весь ансамбль покрыт защитными гелями Parylene , Elvax и Silastic , чтобы сделать его биосовместимым и защитить электронику от жидкостей. [7]
Система сбора данных
[ редактировать ]На внешней стороне черепа пациента находится соответствующая индукционная катушка и антенна, которая передает FM-сигнал на приемник . Эти устройства временно фиксируются водорастворимой пастой. Приемник демодулирует сигнал и отправляет его на компьютер для сортировки выбросов и записи данных. [7]
Сборка
[ редактировать ]Большая часть нейротрофического электрода изготавливается вручную. Золотые проволоки обрезаются до нужной длины, скручиваются, а затем сгибаются под углом 45° чуть выше точки контакта с конусом, чтобы ограничить глубину имплантации. Добавляется еще один изгиб в противоположном направлении там, где провода проходят через череп. Наконечники снимаются с тефлонового покрытия, а те, которые находятся дальше всего от конуса, припаиваются, а затем герметизируются стоматологическим акрилом к разъему компонента. Стеклянный конус изготавливается путем нагревания и вытягивания стеклянного стержня до определенной точки, а затем отрезания кончика до нужной длины. Другой конец не имеет прямого среза, а скорее вырезан под углом, чтобы образовать полку, к которой можно прикрепить золотые проволоки. Затем провода кладут на полку и наносят в несколько слоев гель-клей на основе метилметакрилата , стараясь не покрыть проводящие наконечники. Наконец, устройство стерилизуют газообразным глутаровым альдегидом при низкой температуре и аэрируют. [7]
Выполнение
[ редактировать ]Управление компьютерным курсором
[ редактировать ]Один из пациентов доктора Кеннеди, Джонни Рэй, смог научиться управлять компьютерным курсором с помощью нейротрофического электрода. Три различных нейронных сигнала от устройства коррелировали с движением курсора вдоль оси X, вдоль оси Y и функцией «выбор» соответственно. Движение в заданном направлении запускалось увеличением частоты импульсов нейронов соответствующего канала. [3]
Синтез речи
[ редактировать ]Нейронные сигналы, полученные от другого пациента доктора Кеннеди, были использованы для формулирования гласных звуков с помощью синтезатора речи в реальном времени. Схема электроники была очень похожа на ту, что использовалась для курсора, с добавлением пост-приемника нейронного декодера и самого синтезатора. Исследователи имплантировали электрод в область моторной коры, связанную с движением речевых артикуляторов, поскольку предоперационное сканирование фМРТ показало высокую активность в этой области во время задания на называние изображений. Средняя задержка от срабатывания нейронов до выхода синтезатора составила 50 мс, что примерно соответствует задержке для неповрежденного биологического пути. [8]
Сравнение с другими методами записи
[ редактировать ]Нейротрофический электрод, как описано выше, представляет собой беспроводное устройство и передает сигналы чрескожно. Кроме того, он продемонстрировал долговечность на человеке более четырех лет, поскольку каждый компонент полностью биосовместим . Недавние данные о человеке, имплантированном в течение 13 лет, ясно показывают отсутствие рубцов и наличие большого количества миелинизированных нейрафиламентов (аксонов). [12] [9] Таким образом, для нейротрофического электрода был дан ответ на вопрос о долговечности. Для сравнения, электроды проволочного типа (массив Юта) теряют сигнал в течение месяцев и лет: массив Юта теряет 85% своих сигналов в течение 3 лет. [13] , [10] поэтому его нельзя рассматривать для долгосрочного использования человеком. Система ECOG теряет сигналы менее чем за 2 года [14] . [11] Многие новые типы электродов, например, разрабатываемые Neuralink, по-прежнему страдают от аналогичных проблем. Однако данные с металлических электродов очень полезны в краткосрочной перспективе и позволили получить огромное количество очень полезных данных в мозге для компьютерных исследований.
Однако нейротрофический электрод был ограничен в объеме информации, которую он мог предоставить, поскольку электроника, которую он использовал для передачи сигнала, требовала так много места на черепе, что на человеческом черепе могли поместиться только четыре электрода. [2] Со временем по мере совершенствования технологии усилителей эта проблема становится менее серьезной. Кроме того, оказалось, что небольшое количество электродов по-прежнему полезно. На электрод приходится около 20 отдельных единиц, и недавние результаты показывают, что один электрод с 23 отдельными единицами может декодировать слышимую и тихую речь, в частности, телефоны, слова и фразы. [15] . [12]
Альтернативно, массив Юты в настоящее время является проводным устройством, но передает больше информации. Он имплантируется человеку уже более двух лет и состоит из 100 проводящих кремниевых игольчатых электродов, поэтому он имеет высокое разрешение и может записывать данные со многих отдельных нейронов. [13] Нейротрофический электрод имеет высокое разрешение, о чем свидетельствует важность устройств медленного действия, которые обычно игнорируются другими группами. [16] . [14]
В одном эксперименте доктор Кеннеди адаптировал нейротрофический электрод для считывания потенциалов локального поля (LFP). Он продемонстрировал, что они способны управлять устройствами вспомогательных технологий, предполагая, что менее инвазивные методы могут быть использованы для восстановления функциональности заблокированных пациентов. Однако в исследовании не рассматривалась степень возможного контроля с помощью LFP и не проводилось формального сравнения между LFP и деятельностью отдельных единиц. [15] Это было первое исследование, показавшее, что LFP можно использовать для управления устройством.
Электроэнцефалография (ЭЭГ) предполагает размещение множества поверхностных электродов на коже головы пациента с целью регистрации суммарной активности от десятков тысяч до миллионов нейронов. ЭЭГ имеет потенциал для долгосрочного использования в качестве интерфейса мозг-компьютер , поскольку электроды можно держать на коже головы бесконечно долго. Временное и пространственное разрешение, а также соотношение сигнал/шум ЭЭГ всегда отставали от аналогичных интракортикальных устройств, но у них есть то преимущество, что они не требуют хирургического вмешательства. [13]
Электрокортикография (ЭКоГ) регистрирует совокупную активность сотен и тысяч нейронов с помощью электродов, помещенных непосредственно на поверхность мозга. Помимо того, что устройство ECoG требует хирургического вмешательства и имеет низкое разрешение, оно является проводным, что означает, что кожу головы нельзя полностью закрыть, что увеличивает риск заражения. Однако исследователи, исследующие ECoG, утверждают, что сетка «обладает характеристиками, подходящими для долгосрочной имплантации». [13] Опубликованные данные указывают на потерю сигнала в течение двух лет. [14] .
Недостатки
[ редактировать ]Задержка активации
[ редактировать ]Нейротрофический электрод не активен сразу после имплантации, поскольку аксоны должны врасти в конус, прежде чем устройство сможет воспринимать электрические сигналы. Исследования показали, что рост тканей в основном завершается уже через месяц после процедуры, но для стабилизации требуется до четырех месяцев. [1] Четырехмесячная задержка не является недостатком, если учитывать продолжительность жизни запертого человека, который рассчитывает снова пошевелиться или заговорить.
Риски операции
[ редактировать ]Риски, связанные с имплантацией, обычно связаны с операциями на головном мозге, а именно: возможность кровотечения, инфекции, судорог, инсульта и повреждения головного мозга. До тех пор, пока технология не достигнет такой степени, что эти риски значительно снизятся, эта процедура будет использоваться только в крайних или экспериментальных случаях. [2] Только у одного из шести пациентов Neural Signals, самого доктора Кеннеди, возникли какие-либо осложнения. У него случился кратковременный эпизод фокальных моторных судорог и отека мозга, что привело к временной слабости на контралатеральной стороне тела. [16]
Сбой устройства
[ редактировать ]Когда в 1998 году Джонни Рэю имплантировали, один из нейротрофических электродов начал подавать прерывистый сигнал после того, как он закрепился в нейропиле, и в результате доктор Кеннеди был вынужден полагаться на оставшиеся устройства. Это произошло из-за проблемы с электроникой, а НЕ с электродом. [3] Поэтому даже если осложнений после операции не будет, все равно есть вероятность, что электроника выйдет из строя. Электронику легко заменить. Кроме того, хотя сами имплантаты заключены в череп и, следовательно, относительно защищены от физических повреждений, электроника на внешней стороне черепа под скальпом уязвима. Двое пациентов доктора Кеннеди случайно нанесли ущерб во время спазмов, но в обоих случаях пришлось заменить только внешние устройства. [7]
Будущие приложения
[ редактировать ]Нейропротезирование
[ редактировать ]По состоянию на ноябрь 2010 года доктор Кеннеди работает над применением электрода для синтеза речи, но планирует расширить его использование на множество различных областей, одна из которых — восстановление движения с помощью нейропротезов . [2]
Тихая речь
[ редактировать ]Беззвучная речь — это «обработка речи при отсутствии разборчивого акустического сигнала», используемая в первую очередь в качестве помощи запертому человеку. Немой речь успешно декодирована [12] . Вторичная цель состоит в том, чтобы использовать слышимую или безмолвную речь как «сотовый телефон под черепом с электродами, входящими в речевую моторную кору», то есть как предмет потребления.По словам Фила Кеннеди,
Читатель может отшатнуться от такой идеи. Но позвольте мне объяснить.Подумайте обо всех преимуществах постоянного наличия личного сотового телефона в вашем теле. А именно: «Мне нужно связаться с тем-то, мне нужно задать вопрос Siri, мне нужно получить доступ к облаку и получить информацию, мне нужно выполнить расчет, используя доступ к облаку, мне нужно воспользоваться Интернетом, мне нужно нужно знать, что делают мои акции, мне нужно знать, где мои дети, я упал и мне нужно обратиться в службу скорой помощи и так далее. Я могу написать им сообщение или позвонить им, просто мысленно, мне не нужно искать свой телефон и нажимать на него». Сотовый телефон под кожей головы обойдет этот шаг. Он обеспечит непрерывную связь по желанию и может быть отключен по желанию. Кроме того, стоит напомнить, что история показывает, что люди не будут гнушаться устройствами, которые для них незаметны, то есть имплантированы под кожу или в скальп. Рассмотрим, как впервые отказались от кардиостимуляторов, потому что они были громоздкими и их приходилось носить вне тела. Теперь они полностью имплантированы и регулярно назначаются пациентам. На мой взгляд, такое неприятное развитие событий также неизбежно.
Поэтому я прогнозирую, что от помощи нуждающимся людям мы перейдем к помощи людям с помощью потребительских товаров. Аналогично, если нуждающиеся люди — это хвост собаки (вся собака — это всё человечество), то вместо собаки, виляющей хвостом, хвост будет вилять собакой!
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с Кеннеди, PR, и Бакай, RAE (1997). Активность одиночных потенциалов действия в моторной коре обезьян при длительном обучении задачам. Исследования мозга, 760(1-2), 251-254.
- ^ Jump up to: а б с д Интервью с доктором Кеннеди, старшим научным сотрудником Neural Signals, Inc., 30 сентября 2010 г.
- ^ Jump up to: а б с Кеннеди, П.Р., Бакай, РАЭ, Мур, М.М., Адамс, К., и Голдуэйт, Дж. (2000). Прямое управление компьютером из центральной нервной системы человека. [Статья]. Транзакции IEEE по реабилитационной технике, 8 (2), 198-202.
- ^ Лебедев, М.А., и Николелис, МАЛ (2006). Интерфейсы «мозг-машина»: прошлое, настоящее и будущее. [Обзор]. Тенденции в нейронауках, 29 (9), 536–546.
- ^ Кеннеди, PR, Мирра, SS, и Бакай, RAE (1992). КОНУСНЫЙ ЭЛЕКТРОД – УЛЬТРАСТРУКТУРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПО ДЛИТЕЛЬНЫМ РЕГИСТРАЦИЯМ В КОРЕ КРЫС И ОБЕЗЬЯН. [Статья]. Письма по неврологии, 142 (1), 89–94.
- ^ Кеннеди, PR (1989). КОНУСНЫЙ ЭЛЕКТРОД – ДОЛГОСРОЧНЫЙ ЭЛЕКТРОД, КОТОРЫЙ ЗАПИСАЕТ ИЗ НЕЙРИТОВ, ВЫРАСТАННЫХ НА ЕГО ЗАПИСЫВАЮЩУЮ ПОВЕРХНОСТЬ. [Статья]. Журнал методов нейронауки, 29 (3), 181–193.
- ^ Jump up to: а б с д и ж Бартельс Дж., Андреасен Д., Эхирим П., Мао Х., Зайберт С., Райт Э.Дж. и др. (2008). Нейротрофический электрод: Способ сборки и имплантации в моторно-речевую кору человека. [Статья]. Журнал методов нейробиологии, 174 (2), 168-176.
- ^ Гюнтер, Ф.Х., Брумберг, Дж.С., Райт, Э.Дж., Ньето-Кастанон, А., Турвиль, Дж.А., Панко, М. и др. (2009). Беспроводной мозго-машинный интерфейс для синтеза речи в реальном времени. ПЛОС ОДИН, 4(12).
- ^ Гирин М. и Кеннеди PR. Гистологическое подтверждение наличия миелинизированных нервных нитей на кончике нейротрофического электрода после десяти лет нейронных записей. Передний. Хм. Неврология. 21 апреля 2020 г.
- ^ Стабильность внутрикорковой записи у пользователей интерфейса «мозг-компьютер». Дауни JE1, Швед Н., Чейз С.М., Шварц А.Б., Коллинджер Дж.Л. J Нейронная инженерия. 2018 августа;15(4):046016.
- ^ Дегенхарт А.Д., Элес Дж., Дум Р., Мишель Дж.Л., Смалианчук И., Эндлер Б. и др. (2016). Гистологическая оценка постоянно имплантированной электрокортикографической электродной сетки примату, не являющемуся человеком. Дж. Нейронная инженерия. 13:046019. дои: 10.1088/1741-2560/13/4/046019
- ^ Кеннеди П.Р., Гамбрелл С., Эхирим П. и Сервантес А. Достижения в разработке речевого протеза. Глава книги «Интерфейсы мозг-машина: использование и разработки» принята в 2017 г.
- ^ Jump up to: а б с Брумберг Дж. С., Ньето-Кастанон А., Кеннеди П. Р. и Гюнтер Ф. Х. (2010). Мозг-компьютерные интерфейсы речевого общения. Речевое общение, 52 (4), 367–379.
- ^ Ганеш, А., Сервантес, А.Дж. и Кеннеди П.Р., Одиночные устройства с медленной стрельбой необходимы для оптимального декодирования безмолвной речи. Представлено на конкурс «Компьютерная речь и язык 2020».
- ^ Кеннеди, П.Р., Кирби, М.Т., Мур, М.М., Кинг, Б., и Мэллори, А. (2004). Компьютерное управление с использованием внутрикортикальных потенциалов локального поля человека. [Статья]. Транзакции IEEE по нейронным системам и реабилитационной технике, 12 (3), 339-344.
- ^ Энгбер, Дэниел. «Невролог, который взломал свой мозг и почти потерял рассудок» . Проводной . ISSN 1059-1028 . Проверено 8 марта 2022 г.