Корковый имплантант представляет собой подмножество нейропротезирование , что находится в прямой связи с корой головного мозга в мозг . Посредством непосредственного взаимодействия с различными областями коры кортикальный имплантат может стимулировать непосредственную область и обеспечивать различные преимущества в зависимости от его конструкции и размещения. Типичный кортикальный имплант представляет собой имплантируемую матрицу микроэлектродов , которая представляет собой небольшое устройство, через которое можно принимать или передавать нервный сигнал.
Цель кортикального имплантата и нейропротеза в целом - «заменить нейронные цепи в мозге, которые больше не функционируют должным образом». [1]
Обзор [ править ]
Кортикальные имплантаты имеют широкий спектр потенциальных применений - от восстановления зрения до слепых пациентов или помощи пациентам, страдающим деменцией . Учитывая сложность мозга, возможности этих мозговых имплантатов расширить свою полезность практически безграничны. Некоторые ранние работы с кортикальными имплантатами 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 (прямой) или эпикортикальный (непрямой). [3]У интракортикальных имплантатов есть электроды, которые проникают в мозг, а у эпикортикальных имплантатов есть электроды, стимулирующие вдоль поверхности. Эпикортикальные имплантаты в основном регистрируют потенциалы поля вокруг себя и, как правило, более гибкие по сравнению со своими интракортикальными аналогами. Поскольку интракортикальные имплантаты проникают глубже в мозг, для них требуется более жесткий электрод. [2] Однако из-за микродвижений в головном мозге необходима некоторая гибкость, чтобы предотвратить повреждение ткани мозга.
Визуальные имплантаты [ править ]
Некоторые типы кортикальных имплантатов могут частично восстанавливать зрение, напрямую стимулируя зрительную кору . [4] Ранние работы по восстановлению зрения с помощью корковой стимуляции начались в 1970 году с работ Бриндли и Добелля. В ходе своих первоначальных экспериментов некоторые пациенты смогли распознавать небольшие изображения на довольно близких расстояниях. Их первоначальный имплант был основан на поверхности зрительной коры и не давал столь четких изображений, как мог, с дополнительным недостатком повреждения окружающих тканей. Более поздние модели, такие как электродная матрица «Юта», используют более глубокую стимуляцию коры головного мозга, которая гипотетически могла бы обеспечить изображения с более высоким разрешением и меньшей потребляемой мощностью, что привело бы к меньшему ущербу. Одно из главных преимуществ этого метода искусственного зрения перед любым другимВизуальный протез заключается в том, что он обходит многие нейроны зрительного пути, которые могут быть повреждены, потенциально восстанавливая зрение большему количеству 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 продолжительных периодов времени. Если через несколько лет имплант необходимо удалить или переставить, могут возникнуть осложнения. Зрительная кора головного мозга намного сложнее, и с ней трудно работать, чем с другими областями, где возможно искусственное зрение, такими как сетчатка или зрительный нерв.. Поле зрения гораздо легче обрабатывать в разных местах, кроме зрительной коры. Кроме того, каждая область коры специализирована для работы с различными аспектами зрения, поэтому простая прямая стимуляция не даст пациентам полных изображений. Наконец, хирургические операции, связанные с имплантацией головного мозга, сопряжены с чрезвычайно высоким риском для пациентов, поэтому исследования нуждаются в дальнейшем улучшении. Тем не менее, кортикальные зрительные протезы важны для людей с полностью поврежденной сетчаткой, зрительным нервом или боковым коленчатым телом, поскольку они являются одним из единственных способов восстановления зрения, поэтому необходимо будет искать дальнейшие разработки. . [4]
Слуховые имплантаты [ править ]
Несмотря на то, что разработка эффективных слуховых протезов, которые напрямую взаимодействуют со слуховой корой головного мозга , мало развита , существуют некоторые устройства, такие как имплантат слухового ствола мозга и кохлеарный имплант , которые успешно восстанавливают слух глухим пациентам. Также было проведено несколько исследований, в которых для снятия показаний со слуховой коры у животных использовались матрицы микроэлектродов. Одно исследование было проведено на крысах с целью разработки имплантата, который позволял бы одновременно считывать показания как из слуховой коры, так и из таламуса . Показания этой новой матрицы микроэлектродов были аналогичны по четкости другим легкодоступным устройствам, которые не обеспечивали такие же одновременные показания. [5] С помощью подобных исследований можно добиться прогресса, который может привести к созданию новых слуховых протезов.
Когнитивные имплантаты [ править ]
Некоторые кортикальные имплантаты были разработаны для улучшения когнитивных функций. Эти имплантаты устанавливаются в префронтальной коре или гиппокампе . Имплантаты в префронтальной коре помогают восстановить внимание, принятие решений и выбор движений, дублируя миниколоночную организацию нервных импульсов. [6] Протез гиппокампа призван помочь пациенту полностью восстановить долговременную память . 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 области гиппокампа и восстановить функцию. [7] Лечение нескольких состояний, влияющих на познавательные способности, таких как инсульт , болезнь Альцгеймера и травма головы, может принести пользу при разработке протезов гиппокампа. Эпилепсия также связана с дисфункцией в области СА3 гиппокампа. [8]
Интерфейсы мозг-компьютер [ править ]
Мозг-компьютерный интерфейс (BCI) представляет собой тип имплантата , который позволяет прямое соединение между мозгом пациента и какой - либо форме внешнего оборудования. С середины 1990-х годов количество исследований ИМК как на животных, так и на людях росло в геометрической прогрессии. Большинство интерфейсов мозг-компьютер используются для извлечения нейронных сигналов в той или иной форме, в то время как некоторые пытаются вернуть ощущения с помощью имплантированного сигнала. [3] В качестве примера извлечения сигнала BCI может принимать сигнал от мозга пациента с параличом нижних конечностей и использовать его для перемещения роботизированного протеза.. Эти устройства очень полезны для парализованных пациентов, поскольку они позволяют вернуть контроль пациенту. Текущие исследования интерфейсов мозг-компьютер сосредоточены на определении того, какими областями мозга может управлять человек. 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 на службе явных намерений или задач», управляя устройством намеренно, а не воображаемым движением [9].Примером возвращения ощущения через имплантированный сигнал может быть развитие тактильной реакции протезной конечности. Искусственные конечности у людей с ампутированными конечностями не реагируют на прикосновения, но через имплантат в их соматосенсорной коре головного мозга они могут получить искусственное осязание.
Текущим примером интерфейса мозг-компьютер может быть BrainGate , устройство, разработанное Cyberkinetics . Этот ИМК в настоящее время проходит второй раунд клинических испытаний, начиная с мая 2009 года. В более раннем испытании участвовал пациент с тяжелой травмой спинного мозга , у которого не было контроля над какой-либо из его конечностей. Ему удалось управлять компьютерной мышью с помощью одних лишь мыслей. Были сделаны дальнейшие разработки, которые позволяют более сложное взаимодействие, такое как управление роботизированной рукой.
Преимущества [ править ]
Возможно, одно из самых больших преимуществ кортикальных имплантатов по сравнению с другими нейропротезами заключается в том, что они напрямую связаны с корой. Обход поврежденных тканей в зрительном пути позволяет более широкому кругу поддающихся лечению пациентов. Эти имплантаты также могут выступать в качестве замены поврежденных тканей коры головного мозга. Идея биомимикрии позволяет имплантату действовать как альтернативный путь для сигналов.
Недостатки [ править ]
Наличие какого-либо имплантата, непосредственно связанного с корой головного мозга, представляет некоторые проблемы. Основная проблема кортикальных имплантатов - это биосовместимость или то, как организм будет реагировать на инородный объект. Если организм отторгает имплант, то имплант принесет пациенту больше вреда, чем пользы. Помимо биосовместимости, после того, как имплант установлен на место, организм может иметь неблагоприятную реакцию на него в течение длительного периода времени, делая имплант бесполезным. [10] Имплантация матрицы микроэлектродов может вызвать повреждение окружающей ткани. Развитие рубцовой тканивокруг электродов может помешать некоторым сигналам достичь нейронов, для которых предназначен имплант. Большинство матриц микроэлектродов требуют, чтобы тела нейронных клеток находились в пределах 50 мкм от электродов, чтобы обеспечить наилучшее функционирование, и исследования показали, что у животных с хронической имплантацией значительно снижается плотность клеток в этом диапазоне. [10] Было показано, что имплантаты также вызывают нейродегенерацию в месте имплантации.
Нейронное кодирование представляет собой трудность, с которой сталкиваются корковые имплантаты, и в частности имплантаты, связанные с познанием. Исследователи столкнулись с трудностями в определении того, как мозг кодирует отдельные воспоминания. Например, то, как мозг кодирует память о стуле, сильно отличается от того, как он кодирует лампу. При полном понимании нейронного кода можно добиться большего прогресса в разработке протезов гиппокампа, которые могут более эффективно улучшать память.
Из-за уникальности коры головного мозга каждого пациента трудно стандартизировать процедуры, включающие прямую имплантацию. [4] У мозга много общих физических особенностей, но есть отдельная извилина или борозда (нейроанатомия).может отличаться при сравнении. Это приводит к трудностям, поскольку делает каждую процедуру уникальной, что требует больше времени для выполнения. Кроме того, характер предполагаемого эффекта матрицы микроэлектродов ограничен из-за заявленных отклонений, представленных в связи с индивидуальной уникальностью коры головного мозга, то есть различиями. Современные массивы микроэлектродов также ограничены из-за их физического размера и достижимых скоростей обработки данных / возможностей; которые продолжают регулироваться в отношении характеристик, продиктованных в соответствии с законом Мура .
Будущие разработки [ править ]
По мере проведения дополнительных исследований будут проводиться дальнейшие разработки, которые повысят жизнеспособность и удобство использования кортикальных имплантатов. Уменьшение размера имплантатов поможет упростить процедуры и уменьшить объем. Долговечность этих устройств также рассматривается по мере разработки. Цель разработки новых имплантатов - «избежать гидролитического, окислительного и ферментативного разложения из-за суровых условий человеческого тела или, по крайней мере, замедлить его до минимума, который позволяет интерфейсу работать в течение длительного периода времени, прежде, чем его наконец придется обменять ". [2]При увеличении срока службы потребуется выполнять меньше операций для обслуживания, что позволяет увеличить количество полимеров, которые теперь можно использовать для нервных имплантатов, что позволяет использовать большее разнообразие устройств. По мере совершенствования технологии исследователи могут более плотно размещать электроды в массивах, обеспечивая высокую селективность. [2] Другими областями исследования являются аккумуляторные батареи, питающие эти устройства. Были предприняты попытки уменьшить общий размер и громоздкость этих упаковок, чтобы сделать их менее навязчивыми для пациента. Также представляет интерес уменьшение количества энергии, необходимой для каждого имплантата, поскольку это уменьшит количество тепла, выделяемого имплантатом, и, следовательно, снизит риск повреждения окружающих тканей.
Ссылки [ править ]
- ^ Бергер, TW; Хэмпсон, RE; Песня, D .; Goonawardena, A .; Мармарелис, В.З .; Deadwyler, SA (2011). «Кортикальный нервный протез для восстановления и улучшения памяти» . Журнал нейронной инженерии . 8 (4): 046017. Bibcode : 2011JNEng ... 8d6017B . DOI : 10.1088 / 1741-2560 / 8/4/046017 . PMC 3141091 . PMID 21677369 .
- ^ a b c d Hassler, C .; Boretius, T .; Штиглиц, Т. (2011). «Полимеры для нервных имплантатов» . Журнал науки о полимерах. Часть B: Физика полимеров . 49 (1): 18–33. Bibcode : 2011JPoSB..49 ... 18H . DOI : 10.1002 / polb.22169 .
- ^ a b Конрад, П .; Шанкс, Т. (2010). «Имплантируемый мозговой компьютерный интерфейс: вызовы трансляции нейротехнологий». Нейробиология болезней . 38 (3): 369–375. DOI : 10.1016 / j.nbd.2009.12.007 . PMID 20035870 . S2CID 39225419 .
- ^ a b c d Фернандес, РАБ; Диниз, Б .; Ribeiro, R .; Хумаюн, М. (2012). «Искусственное зрение посредством нейрональной стимуляции». Письма неврологии . 519 (2): 122–128. DOI : 10.1016 / j.neulet.2012.01.063 . PMID 22342306 . S2CID 25306195 .
- ^ Маккарти, PT; Рао, депутат; Отто, KJ (2011). «Одновременная запись слуховой коры и таламуса крыс с помощью микротитанового микроэлектродного устройства» . Журнал нейронной инженерии . 8 (4): 046007. Bibcode : 2011JNEng ... 8d6007M . DOI : 10.1088 / 1741-2560 / 8/4/046007 . PMC 3158991 . PMID 21628772 .
- ^ Хэмпсон, RE; Герхардт, Джорджия; Marmarelis, V .; Песня, D .; Opris, I .; Santos, L .; Deadwyler, SA (2012). «Облегчение и восстановление когнитивной функции в префронтальной коре приматов с помощью нейропротеза, который использует нейронное возбуждение, специфичное для мини-колонки» . Журнал нейронной инженерии . 9 (5): 056012. Bibcode : 2012JNEng ... 9e6012H . DOI : 10.1088 / 1741-2560 / 9/5/056012 . PMC 3505670 . PMID 22976769 .
- ^ Хэмпсон, RE; Песня, D .; Чан, RHM; Sweatt, AJ; Райли, MR; Герхардт, Джорджия; Deadwyler, SA (2012). «Нелинейная модель когнитивного протеза гиппокампа: облегчение памяти за счет стимуляции ансамбля гиппокампа» . IEEE Transactions по нейронным системам и реабилитационной инженерии . 20 (2): 184–197. DOI : 10.1109 / tnsre.2012.2189163 . PMC 3397311 . PMID 22438334 .
- ^ Бергер, TW; Ахуджа, А .; Courellis, SH; Deadwyler, SA; Erinjippurath, G .; Герхардт, Джорджия; Уиллс, Дж. (2005). «Восстановление утраченной когнитивной функции». Журнал IEEE Engineering in Medicine and Biology . 24 (5): 30–44. DOI : 10,1109 / memb.2005.1511498 . PMID 16248115 . S2CID 21757473 .
- ^ Vansteensel, MJ; Hermes, D .; Aarnoutse, EJ; Bleichner, MG; Schalk, G .; van Rijen, PC; Рэмси, Н.Ф. (2010). «Интерфейс мозг-компьютер на основе когнитивного управления». Анналы неврологии . 67 (6): 809–816. DOI : 10.1002 / ana.21985 . PMID 20517943 . S2CID 16937026 .
- ^ а б Поттер, KA; Бак, AC; Self, WK; Кападона, младший (2012). «Колото-ранение и имплантация устройства в мозг приводит к обратно-многофазным нейровоспалительным и нейродегенеративным ответам». Журнал нейронной инженерии . 9 (4): 046020. Bibcode : 2012JNEng ... 9d6020P . DOI : 10.1088 / 1741-2560 / 9/4/046020 . PMID 22832283 .
