Интерфейс периферических нервов

Интерфейс периферических нервов — это мост между периферической нервной системой и компьютерным интерфейсом , который служит двунаправленным преобразователем информации , записывающим и отправляющим сигналы между телом человека и процессором машины . Интерфейсы с нервной системой обычно имеют форму электродов для стимуляции и записи, хотя возможны и химическая стимуляция и чувствительность. ^[1] Исследования в этой области сосредоточены на разработке интерфейсов периферических нервов для восстановления функций после заболеваний или травм, чтобы минимизировать связанные с ними потери. Интерфейсы периферических нервов также позволяют осуществлять электрическую стимуляцию и запись периферической нервной системы для изучения формы и функции периферической нервной системы. Например, недавние исследования на животных продемонстрировали высокую точность отслеживания физиологически значимых показателей, таких как угол сустава. ^[2]^[3] Многие исследователи также сосредотачиваются на области нейропротезирования , связывая нервную систему человека с бионикой , чтобы имитировать естественный сенсомоторный контроль и функции. ^[4] Успешная имплантация интерфейсов периферических нервов зависит от ряда факторов, включая соответствующие показания , периоперационное тестирование , дифференцированное планирование и функциональную подготовку. ^[5] Обычно микроэлектродные устройства имплантируются рядом, вокруг или внутри нервного ствола для установления контакта с периферической нервной системой. В зависимости от типа желаемого и достижимого сигнала могут использоваться разные подходы.

Функция

Основная цель нейронного интерфейса — обеспечить двусторонний обмен информацией с нервной системой в течение длительного периода времени, чтобы обеспечить эффективную стимуляцию и запись с высокой плотностью. Периферическая нервная система (ПНС) отвечает за передачу информации от головного и спинного мозга к конечностям тела и спине. Функция интерфейса периферических нервов заключается в оказании помощи нервной системе при нарушении функции периферических нервов. Чтобы дополнить роль нервной системы, интерфейсы должны улучшать двигательные функции, а также распознавать сенсорную информацию. Возможность стимуляции периферических нервов для достижения желаемой двигательной активности была продемонстрирована и является одной из основных движущих сил этой области исследований. ^[6] Обмен информацией в нервной системе осуществляется преимущественно посредством потенциалов действия . Эти сигналы возникают в разном количестве и с разными интервалами в зависимости как от нейроанатомического , так и от нейрохимического состава отдельного человека и локализованной области. Информация может быть либо введена, либо считана путем индукции или восстановления потенциалов действия в организме. Успешная разработка и реализация интерфейса периферических нервов позволит как вводить информацию в нервную систему, так и извлекать информацию из нервной системы.

Проблемы и ограничения

Проблемы и ограничения взаимодействия периферических нервов носят как биофизический, так и биологический характер. Эти проблемы ^[1] включать:

Верность интерфейса с точки зрения функционального разрешения
Относительно слабые, зашумленные электрические сигналы, вызывающие трудности при проектировании интерфейса.
Повреждение интересующих нервных волокон, связанное с имплантацией интерфейса
Стабильность интерфейса с течением времени из-за воспаления
Управление непреднамеренными последствиями, такими как боль или ложная сенсорная/моторная стимуляция из-за физического движения или запуска нервной активности, связанного с воспалением.

Приложение

Интерфейсы периферических нервов используются для модуляции боли . ^[7] восстановление двигательной функции после травмы спинного мозга или инсульта , ^[8] лечение эпилепсии путем электростимуляции блуждающего нерва, ^[9] стимуляция нервов для контроля мочеиспускания, стимуляция затылочного нерва при хронической мигрени и взаимодействие с нейропротезированием .

Типы

Было исследовано, испытано и изготовлено большое количество конструкций электродов. ^[10]^[11] Эти электроды имеют спектр различной степени инвазивности. Исследования в этой области направлены на решение проблем, связанных с повреждением периферических нервов/тканей, доступом к эфферентным и афферентным сигналам и избирательной записью/стимуляцией нервной ткани. В идеале интерфейсы периферических нервов оптимально спроектированы для взаимодействия с биологическими ограничениями периферических нервных волокон , соответствуют механическим и электрическим свойствам окружающей ткани, биосовместимы с минимальным иммунным ответом, высоким разрешением датчика , минимально инвазивны и хронически стабильны с низким уровнем сигнала. -коэффициенты шума . Наиболее сильные сигналы регистрируются с узлов Ранвье . Интерфейсы периферических нервов можно разделить на экстраневральные и внутрифаскулярные.

Интерфейс эпиневрального электрода

Эпиневральные электроды изготавливаются в виде продольных полосок, удерживающих два или более контактных участка для взаимодействия с периферическими нервами. Эти электроды помещаются на нерв и закрепляются путем пришивания к эпиневрию. Процесс наложения швов требует деликатной хирургической операции, и нерв может быть оторван, если чрезмерное движение создаст напряжение. Поскольку электрод пришит к эпиневрию, повреждение нервного ствола маловероятно.

Интерфейс геликоидального электрода

Спиральные электроды располагаются вокруг нерва и изготовлены из гибкой платиновой ленты по спирали. Такая конструкция позволяет электроду соответствовать размеру и форме нерва, что позволяет минимизировать механическую травму. Структурная конструкция обуславливает низкую селективность. Спиралевидные электроды в настоящее время используются для FES-стимуляции блуждающего нерва для контроля трудноизлечимой эпилепсии , апноэ во сне и для лечения депрессивных синдромов.

Интерфейс книжного электрода

Книжный электрод состоит из блока из силиконовой резины с прорезями. Каждый слот содержит три платиновые фольги, которые действуют как электроды, анодные электроды и один катод. В эти щели помещают спинномозговые корешки нерва, затем эти щели закрывают лоскутом из силикона и фиксируют силиконовым клеем. Этот электрод в основном используется для прерывания рефлекторных цепей дорсально-крестцовых корешков и для контроля функции мочевого пузыря. Книжные электроды до сих пор считаются очень громоздкими.

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б Гриль В.М., Норман С.Э., Белламконда Р.В. (2009). «Имплантированные нейронные интерфейсы: биопроблемы и инженерные решения». Ежегодный обзор биомедицинской инженерии . 11 :1–24. doi : 10.1146/annurev-bioeng-061008-124927 . ПМИД 19400710 . S2CID 9380584 .
^ Ко Р.Г., Балас М., Нахман А.И., Зариффа Дж. (январь 2020 г.). «Выборочные записи периферических нервов с нервных манжеточных электродов с использованием сверточных нейронных сетей». Журнал нейронной инженерии . 17 (1): 016042. Бибкод : 2020JNEng..17a6042K . дои : 10.1088/1741-2552/ab4ac4 . ПМИД 31581142 . S2CID 203661866 .
^ Ко Р.Г., Нахман А.И., Зариффа Дж. (июль 2019 г.). «Классификация естественно вызванных сложных потенциалов действия в пространственно-временных записях периферических нервов» . Научные отчеты . 9 (1): 11145. Бибкод : 2019НатСР...911145К . дои : 10.1038/s41598-019-47450-8 . ПМК 6668407 . ПМИД 31366940 .
^ Дональдсон PE (май 1983 г.). «Кабель Купера: имплантируемый многожильный кабель для неврологических протезов». Медицинская и биологическая инженерия и вычислительная техника . 21 (3): 371–4. дои : 10.1007/BF02478508 . ПМИД 6876913 . S2CID 11803616 .
^ Наварро X, Крюгер Т.Б., Лаго Н., Мицера С., Штиглиц Т., Дарио П. (сентябрь 2005 г.). «Критический обзор интерфейсов с периферической нервной системой для управления нейропротезами и гибридными бионическими системами» . Журнал периферической нервной системы . 10 (3): 229–58. дои : 10.1111/j.1085-9489.2005.10303.x . ПМИД 16221284 . S2CID 923522 .
^ Бхадра, Нилой; Пекхэм, П. Хантер (сентябрь 1997 г.). «Стимуляция периферических нервов для восстановления двигательной функции». Журнал клинической нейрофизиологии . 14 (5): 378–393. дои : 10.1097/00004691-199709000-00004 . ПМИД 9415385 .
^ Вайнер Р.Л. (апрель 2000 г.). «Будущее нейростимуляции периферических нервов». Неврологические исследования . 22 (3): 299–304. дои : 10.1080/01616412.2000.11740674 . ПМИД 10769824 . S2CID 35257447 .
^ Штейн Р.Б., Пекхэм П.Х., Попович Д.Б., ред. (1992). Нейронные протезы, заменяющие двигательную функцию после болезни или инвалидности . Нью-Йорк: Оксфордский университет. Нажимать.
^ Джордж Р., Соннен А., Аптон А., Салинский М., Ристанович Р. и др. (1995). «Рандомизированное контролируемое исследование хронической стимуляции блуждающего нерва для лечения трудноизлечимых с медицинской точки зрения судорог». Неврология . 45 (2): 224–230. дои : 10.1212/WNL.45.2.224 . ПМИД 7854516 . S2CID 37227118 .
^ Варга М., Луниак М., Уолтер К.Дж. (апрель 2013 г.). Новый самоскладывающийся электрод для нейронной стимуляции и записи . 2013 IEEE XXXIII Международная научная конференция «Электроника и нанотехнологии» (ELNANO). IEEE. стр. 237–240. дои : 10.1109/ELNANO.2013.6552092 . ISBN 978-1-4673-4672-6 . S2CID 21565816 .
^ Варга М., Луниак М., Уолтер К.Дж. (декабрь 2013 г.). Технология изготовления биполярных поликарбонатных электродов для интраоперационного нейромониторинга . 2013 IEEE 15-я конференция по технологиям упаковки электроники (EPTC 2013). IEEE. стр. 103–107. дои : 10.1109/EPTC.2013.6745693 . ISBN 978-1-4799-2834-7 . S2CID 33936455 .

[Warren-1] Jump up to: ^а ^б Гриль В.М., Норман С.Э., Белламконда Р.В. (2009). «Имплантированные нейронные интерфейсы: биопроблемы и инженерные решения». Ежегодный обзор биомедицинской инженерии . 11 :1–24. doi : 10.1146/annurev-bioeng-061008-124927 . ПМИД 19400710 . S2CID 9380584 .

[2] Ко Р.Г., Балас М., Нахман А.И., Зариффа Дж. (январь 2020 г.). «Выборочные записи периферических нервов с нервных манжеточных электродов с использованием сверточных нейронных сетей». Журнал нейронной инженерии . 17 (1): 016042. Бибкод : 2020JNEng..17a6042K . дои : 10.1088/1741-2552/ab4ac4 . ПМИД 31581142 . S2CID 203661866 .

[3] Ко Р.Г., Нахман А.И., Зариффа Дж. (июль 2019 г.). «Классификация естественно вызванных сложных потенциалов действия в пространственно-временных записях периферических нервов» . Научные отчеты . 9 (1): 11145. Бибкод : 2019НатСР...911145К . дои : 10.1038/s41598-019-47450-8 . ПМК 6668407 . ПМИД 31366940 .

[Donaldson-4] Дональдсон PE (май 1983 г.). «Кабель Купера: имплантируемый многожильный кабель для неврологических протезов». Медицинская и биологическая инженерия и вычислительная техника . 21 (3): 371–4. дои : 10.1007/BF02478508 . ПМИД 6876913 . S2CID 11803616 .

[NavarroReview-5] Наварро X, Крюгер Т.Б., Лаго Н., Мицера С., Штиглиц Т., Дарио П. (сентябрь 2005 г.). «Критический обзор интерфейсов с периферической нервной системой для управления нейропротезами и гибридными бионическими системами» . Журнал периферической нервной системы . 10 (3): 229–58. дои : 10.1111/j.1085-9489.2005.10303.x . ПМИД 16221284 . S2CID 923522 .

[Bhadra-6] Бхадра, Нилой; Пекхэм, П. Хантер (сентябрь 1997 г.). «Стимуляция периферических нервов для восстановления двигательной функции». Журнал клинической нейрофизиологии . 14 (5): 378–393. дои : 10.1097/00004691-199709000-00004 . ПМИД 9415385 .

[Weiner-7] Вайнер Р.Л. (апрель 2000 г.). «Будущее нейростимуляции периферических нервов». Неврологические исследования . 22 (3): 299–304. дои : 10.1080/01616412.2000.11740674 . ПМИД 10769824 . S2CID 35257447 .

[Stein-8] Штейн Р.Б., Пекхэм П.Х., Попович Д.Б., ред. (1992). Нейронные протезы, заменяющие двигательную функцию после болезни или инвалидности . Нью-Йорк: Оксфордский университет. Нажимать.

[George-9] Джордж Р., Соннен А., Аптон А., Салинский М., Ристанович Р. и др. (1995). «Рандомизированное контролируемое исследование хронической стимуляции блуждающего нерва для лечения трудноизлечимых с медицинской точки зрения судорог». Неврология . 45 (2): 224–230. дои : 10.1212/WNL.45.2.224 . ПМИД 7854516 . S2CID 37227118 .

[10] Варга М., Луниак М., Уолтер К.Дж. (апрель 2013 г.). Новый самоскладывающийся электрод для нейронной стимуляции и записи . 2013 IEEE XXXIII Международная научная конференция «Электроника и нанотехнологии» (ELNANO). IEEE. стр. 237–240. дои : 10.1109/ELNANO.2013.6552092 . ISBN 978-1-4673-4672-6 . S2CID 21565816 .

[11] Варга М., Луниак М., Уолтер К.Дж. (декабрь 2013 г.). Технология изготовления биполярных поликарбонатных электродов для интраоперационного нейромониторинга . 2013 IEEE 15-я конференция по технологиям упаковки электроники (EPTC 2013). IEEE. стр. 103–107. дои : 10.1109/EPTC.2013.6745693 . ISBN 978-1-4799-2834-7 . S2CID 33936455 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]