Нейропротездер және нейроғылым: Дене мүшелерін алмастыру технологиясы

Нейропротездер – нейроғылым мен биомедициналық инженерия саласы. Бұл жоғалған функцияларды алмастыратын құрылғылар, мысалы, кохлеарлық имплантаттар туралы мақала.

15 мин оқу

100%

Дереккөз: Neuroprosthetics — Wikipedia

Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.

Мазмұны

Кіріспе

Нейробиология және биомедициналық инженерия салаларымен байланысты пән.

Нейропротетика (сондай-ақ нейропротездер деп те аталады) – нейробиология және биомедициналық инженерия салаларымен байланысты, нейропротездерді әзірлеумен айналысатын пән. Олар кейде жоғалған биологиялық функцияларды алмастыруға арналған құрылғы емес, миды компьютермен байланыстыратын ми-компьютер интерфейсімен салыстырылады. Нейропротездер – жарақат немесе ауру салдарынан зақымданған қозғалыс, сезім немесе танымдық қабілеттерді алмастыра алатын құрылғылар жиынтығы. Кохлеарлық имплантаттар мұндай құрылғылардың мысалы болып табылады. Бұл құрылғылар құлақ пердесі мен тікшелер атқаратын функцияларды алмастырады, сонымен бірге кохлеада жүзеге асырылатын жиілік талдауын имитациялайды. Сыртқы бөлімдегі микрофон дыбысты жинап, өңдейді; өңделген сигнал микроэлектродтар тізбегі арқылы есту нервін стимуляциялайтын имплантталған бөлімге жіберіледі. Зақымдалған сезімдерді алмастыру немесе күшейту арқылы бұл құрылғылар мүмкіндігі шектеулі адамдардың өмір сапасын жақсартуға бағытталған. Бұл имплантацияланатын құрылғылар сонымен қатар жануарлармен жүргізілетін тәжірибелерде миды және оның жұмыс істеуін жақсырақ түсінуге көмектесетін құрал ретінде кеңінен қолданылады. Миға имплантталған электродтар арқылы жіберілетін мидың электрлік сигналдарын сымсыз мониторингтеу арқылы, құрылғы нәтижелерге әсер етпей-ақ зерттеу нысаны зерттелуі мүмкін. Мидағы электрлік сигналдарды дәл зерттеп, жазу белгілі бір функцияға жауапты нейрондардың жергілікті популяциясы арасындағы байланысты жақсырақ түсінуге көмектеседі. Нейроимплантаттар, әсіресе ми, көз немесе кохлея айналасындағы аймақтарда, мүмкіндігінше инвазивті емес болу үшін ең кішкентай болуы үшін жасалған. Бұл имплантаттар әдетте протездік құрылғыларымен сымсыз байланысады. Сонымен қатар, қуат қазіргі уақытта тері арқылы сымсыз қуат беру арқылы алынады. Имплантты қоршаған тіндер температураның өсуіне өте сезімтал, яғни тіндердің зақымдануын болдырмау үшін энергия тұтынуы минималды болуы керек. Қазіргі уақытта ең көп қолданылатын нейропротез – кохлеарлық имплант, 2019 жылғы мәліметтер бойынша әлем бойынша 736 900-ден астам қолданыста бар.

Neuroprosthetics (also called neural prosthetics) is a discipline related to neuroscience and biomedical engineering concerned with developing neural prostheses. They are sometimes contrasted with a brain–computer interface, which connects the brain to a computer rather than a device meant to replace missing biological functionality. Neural prostheses are a series of devices that can substitute a motor, sensory or cognitive modality that might have been damaged as a result of an injury or a disease. Cochlear implants provide an example of such devices. These devices substitute the functions performed by the eardrum and stapes while simulating the frequency analysis performed in the cochlea. A microphone on an external unit gathers the sound and processes it; the processed signal is then transferred to an implanted unit that stimulates the auditory nerve through a microelectrode array. Through the replacement or augmentation of damaged senses, these devices are intended to improve the quality of life for those with disabilities. These implantable devices are also commonly used in animal experimentation as a tool to aid neuroscientists in developing a greater understanding of the brain and its functioning. By wirelessly monitoring the brain's electrical signals sent out by electrodes implanted in the subject's brain, the subject can be studied without the device affecting the results. Accurately probing and recording the electrical signals in the brain would help better understand the relationship among a local population of neurons that are responsible for a specific function. Neural implants are designed to be as small as possible in order to be minimally invasive, particularly in areas surrounding the brain, eyes, or cochlea. These implants typically communicate with their prosthetic counterparts wirelessly. Additionally, power is currently received through wireless power transmission through the skin. The tissue surrounding the implant is usually highly sensitive to temperature rise, meaning that power consumption must be minimal in order to prevent tissue damage. The neuroprosthetic currently undergoing the most widespread use is the cochlear implant, with over 736,900 in use worldwide as of 2019.

Тарих

Алғашқы кохлеарлық имплант 1957 жылы жасалды. Басқа маңызды жетістіктер: 1961 жылы гемиплегияда аяқ түсіп қалу үшін алғашқы моторлық протез, 1977 жылы есту ми сабағына алғашқы имплантация, 1981 жылы ересек егеуқұйрықтың жұлынға имплантацияланған шеттік жүйке көпірі. 1988 жылы бел омыртқасының алдыңғы тамырына имплант және функционалдық электрлік стимуляция (ФЭС) параплегиямен ауыратын адамдар тобына тиісінше тұру мен жүруге мүмкіндік берді. Миға имплантацияланатын электродтарды дамыту кезіндегі алғашқы қиындық – электродтарды сенімді түрде орналастыру болды, бастапқыда электродтар инелермен енгізіліп, қажетті тереңдікте инелер сындырылатын. Қазіргі жүйелер Паркинсон ауруының белгілерін жеңілдету үшін терең ми стимуляциясында қолданылатын, одан да жетілдірілген зондтарды пайдаланады. Екі тәсілдің де мәселесі – мидың бас сүйегінде еркін қозғалуы, ал зонд қозғалмайды, сондықтан тіпті кішкентай соққылар, мысалы, аздаған жылдамдықпен болған автомобиль апаты да зиян келтіруі мүмкін. Кейбір зерттеушілер, мысалы Мичиган университетінің профессоры Кенсалл Уайз, мидың сыртқы бетіне орналасқан электродтарды бас сүйегінің ішкі бетіне бекітуді ұсынды. Дегенмен, тіпті сәтті болған жағдайда да, бұл бекіту мидың терең стимуляциясы (ДБС) сияқты мидың тереңіне енгізілетін құрылғылардың мәселесін шешпейді.

Көрнекі протездер

Көрнекі протездер көру жүйесіндегі нейрондарды электрлік стимуляциялау арқылы бейне сезімін туғыза алады. Камера имплантқа сымсыз түрде хабар жібереді, ал имплант суретті электродтар тізімі бойынша бейнелейді. Электродтар тізімі 600–1000 нүктені тиімді түрде стимуляциялауы керек, осылайша торлы қабықтағы оптикалық нейрондарды стимуляциялау арқылы сурет жасалады. Стимуляция оптикалық сигналдың бойындағы кез келген жерде жүзеге асырылуы мүмкін. Сурет жасау үшін көру нервісін стимуляциялауға болады, немесе көру қабығын стимуляциялауға болады, бірақ клиникалық сынақтар ретиналық имплантаттар үшін ең сәтті нәтижелерді көрсетті. Көрнекі протездік жүйе сыртқы (немесе имплантацияланатын) бейнелеу жүйесінен тұрады, ол бейнені қабылдап, өңдейді. Сыртқы бөлім имплантқа қуатты және деректерді сымсыз түрде жібереді. Имплант алынған қуатты/деректерді цифрлық деректерді микроэлектродтар арқылы жүйкеге жіберілетін аналогтық сигналға түрлендіреді. Фоторецепторлар – фотондарды электр сигналдарына айналдыратын арнайы нейрондар. Олар көздің артқы жағын жабатын, қалыңдығы шамамен 200 мкм болатын көп қабатты нейрондық құрылым – торлы қабықтың бөлігі. Өңделген сигнал оптикалық жүйке арқылы миға жіберіледі. Бұл жолдың кез келген бөлігі зақымданса, соқырлық пайда болуы мүмкін. Соқырлықтың себебі – оптикалық жолдың (торлы қабық, көздің сулы денесі, хрустальдық линза және шыны тәрізді дене) зақымдануы. Бұл жазаба немесе ауру салдарынан болуы мүмкін. Фоторецепторлардың жоғалуына байланысты соқырлыққа әкелетін екі ең көп таралған торлы қабықтың дегенеративтік ауруы – жасқа байланысты макулярлық дегенерация (ЖБМД) және пигменттік ретинит (ПР). Тұрақты имплантацияланған ретиналық протездің алғашқы клиникалық сынағы 3500 элементтен тұратын пассивті микрофотодиодтар тізімі бар құрылғы болды. Бұл сынақ 2000 жылы Optobionics, Inc. компаниясында жүзеге асырылды. 2002 жылы Second Sight Medical Products, Inc. (Sylmar, CA) 16 электродтан тұратын эпиретиналық импланттың прототипімен сынақ жүргізді. Сынаққа ПР салдарынан жарыққа сезімталдығы төмен алты адам қатысты. Сынаққа қатысушылар үш кең таралған затты (тарелка, кесе және пышақ) статистикалық мағынасы бар деңгейде ажырата алатындықтарын көрсетті. Retina Implant GMbH (Reutlingen, Germany) компаниясы жасаған белсенді ретина асты құрылғысы 2006 жылы клиникалық сынақтардан өтті. 1500 микрофотодиодтан тұратын ИК чипі торлы қабықтың астына имплантацияланды. Микрофотодиодтар фотодиодқа түскен жарық мөлшеріне байланысты тоқ импульстарын модуляциялау үшін қолданылады. Көрнекі протездерді әзірлеу бойынша маңызды тәжірибелік жұмыстар үлкен беткі электродтар тізімін пайдалана отырып, көру қабығын стимуляциялау арқылы жүргізілді. 1968 жылы Джайлс Бриндли 52 жастағы соқыр әйелдің көру қабығының бетіне 80 электродтан тұратын құрылғыны имплантациялады. Стимуляция нәтижесінде науқас көру алаңының 40 әртүрлі нүктесінде фосфендерді көре алды. Бұл тәжірибе имплантацияланған электрлік стимулятор құрылғысы көру қабілетінің белгілі бір деңгейін қалпына келтіре алатынын көрсетті. Көрнекі қабық протезін жасау бойынша соңғы жұмыстар адам емес приматтарда көру қабығын стимуляциялаудың тиімділігін бағалауға бағытталған. Бұл тәжірибеде жаттығудан және бейнелеуден кейін маймыл жарық және электрлік стимуляция арқылы бірдей көру саккадасын орындай алды. Жоғары ажыратылатын ретиналық протездерге қойылатын талаптар құрылғыдан пайда көретін соқыр адамдардың қажеттіліктері мен тілектерінен туындауы керек. Бұл пациенттермен әрекеттесуден таяқсыз қозғалыс, бетті тану және оқу – негізгі қажетті мүмкіндіктер екені анықталды. Толыққанды жұмыс істейтін көрнекі протездердің нәтижелері мен салдары қызықты. Дегенмен, қиындықтар көп. Ретинаға жақсы сапалы суретті бейнелеу үшін микромасштабты электродтардың көп саны қажет. Сонымен қатар, бейне сапасы сымсыз байланыс арқылы қанша ақпарат жіберілуіне байланысты. Бұл жоғары көлемдегі ақпаратты импланттың көп энергия жұмсамай қабылдап, өңдеуі керек, себебі энергия жұмсау тінді зақымдауы мүмкін. Импланттың мөлшері де маңызды мәселе. Кез келген имплант мүмкіндігінше аз инвазивті болуы керек. Пациенттер стимуляция кезінде шырылдаған дыбыстарды естігендерін айтты. 1972 жылы House Ear Clinic-те ересектерге алғашқы портативті кохлеарлық имплант орнатылды. АҚШ-тың Тамақ және дәрі-дәрмек басқармасы (FDA) 1984 жылдың қараша айында House 3M кохлеарлық имплантының сатылуын ресми түрде мақұлдады. Кохлеарлық имплантаттардың тиімділігін арттыру үшін имплантты стимуляциялаудың физикалық және биофизикалық шектеулерін түсіну ғана емес, сонымен қатар мидың үлгіні өңдеу қажеттіліктерін түсіну қажет. Қазіргі заманғы сигналды өңдеу ең маңызды сөйлеу ақпаратын көрсетеді, сонымен қатар миға қажет үлгіні тану ақпаратын ұсынады. Мидегі үлгіні тану сөйлеудегі маңызды ерекшеліктерді анықтауда алгоритмдік алдын ала өңдеуден гөрі тиімді. Кохлеарлық протездердің өнімділігін арттыру үшін инженерия, сигналды өңдеу, биофизика және когнитивтік нейроғылымның үйлесімділігі қажет болды. Кохлеарлық имплантаттар туа біткен есту қабілеті жоқ балалардың сөйлеу дамуына қол жеткізуге де мүмкіндік берді, ал ерте имплантация (2–4 жасқа дейін) ерекше табысқа жетті. Әлем бойынша шамамен 80 000 балаға имплант орнатылған. Одновременді электрлік акустикалық стимуляцияны (EAS) қолдану арқылы есту қабілетін жақсарту туралы тұңғыш рет 1999 жылы Германияның Франкфурт университетінің Universitätsklinik Frankfurt қызметкерлері C. von Ilberg және J. Kiefer айтқан. Осы жылы алғашқы EAS пациентіне имплант орнатылды. 2000 жылдардың басынан бері FDA Cochlear Corporation компаниясының "Hybrid" деп аталатын құрылғысы бойынша клиникалық сынақтар жүргізіп келеді. Бұл сынақ қалдық төмен жиілікті естуі бар пациенттерде кохлеарлық имплантацияның пайдалылығын зерттеуге бағытталған. "Hybrid" стандартты кохлеарлық имплантқа қарағанда қысқарақ электродты пайдаланады, себебі электрод қысқа болғандықтан кохлеаның базистік бөлігін және демек, жоғары жиілікті тонотоптық аймақты стимуляциялайды. Теория бойынша, бұл құрылғылар сөйлеу жиілігінде есту қабілетін жоғалтқан, бірақ әлі де мағыналы төмен жиілікті естуі бар пациенттерге пайдалы болады. Дыбыс шығару үшін Сөйлеу синтезіне қараңыз.

A visual prosthesis can create a sense of image by electrically stimulating neurons in the visual system. A camera would wirelessly transmit to an implant, the implant would map the image across an array of electrodes. The array of electrodes has to effectively stimulate 600–1000 locations, stimulating these optic neurons in the retina thus will create an image. The stimulation can also be done anywhere along the optic signal's pathway. The optical nerve can be stimulated in order to create an image, or the visual cortex can be stimulated, although clinical tests have proven most successful for retinal implants. A visual prosthesis system consists of an external (or implantable) imaging system which acquires and processes the video. Power and data will be transmitted to the implant wirelessly by the external unit. The implant uses the received power/data to convert the digital data to an analog output which will be delivered to the nerve via micro electrodes. Photoreceptors are the specialized neurons that convert photons into electrical signals. They are part of the retina, a multilayer neural structure about 200 um thick that lines the back of the eye. The processed signal is sent to the brain through the optical nerve. If any part of this pathway is damaged blindness can occur. Blindness can result from damage to the optical pathway (cornea, aqueous humor, crystalline lens, and vitreous). This can happen as a result of accident or disease. The two most common retinal degenerative diseases that result in blindness secondary to photoreceptor loss is age related macular degeneration (AMD) and retinitis pigmentosa (RP). The first clinical trial of a permanently implanted retinal prosthesis was a device with a passive microphotodiode array with 3500 elements. This trial was implemented at Optobionics, Inc., in 2000. In 2002, Second Sight Medical Products, Inc. (Sylmar, CA) began a trial with a prototype epiretinal implant with 16 electrodes. The subjects were six individuals with bare light perception secondary to RP. The subjects demonstrated their ability to distinguish between three common objects (plate, cup, and knife) at levels statistically above chance. An active sub retinal device developed by Retina Implant GMbH (Reutlingen, Germany) began clinical trials in 2006. An IC with 1500 microphotodiodes was implanted under the retina. The microphotodiodes serve to modulate current pulses based on the amount of light incident on the photo diode. The seminal experimental work towards the development of visual prostheses was done by cortical stimulation using a grid of large surface electrodes. In 1968 Giles Brindley implanted an 80 electrode device on the visual cortical surface of a 52 year old blind woman. As a result of the stimulation the patient was able to see phosphenes in 40 different positions of the visual field. This experiment showed that an implanted electrical stimulator device could restore some degree of vision. Recent efforts in visual cortex prosthesis have evaluated efficacy of visual cortex stimulation in a non human primate. In this experiment after a training and mapping process the monkey is able to perform the same visual saccade task with both light and electrical stimulation. The requirements for a high resolution retinal prosthesis should follow from the needs and desires of blind individuals who will benefit from the device. Interactions with these patients indicate that mobility without a cane, face recognition and reading are the main necessary enabling capabilities. The results and implications of fully functional visual prostheses are exciting. However, the challenges are grave. In order for a good quality image to be mapped in the retina a high number of micro scale electrode arrays are needed. Also, the image quality is dependent on how much information can be sent over the wireless link. Also this high amount of information must be received and processed by the implant without much power dissipation which can damage the tissue. The size of the implant is also of great concern. Any implant would be preferred to be minimally invasive. The individuals described hearing chirping sounds during stimulation. In 1972, the first portable cochlear implant system in an adult was implanted at the House Ear Clinic. The U. S. Food and Drug Administration (FDA) formally approved the marketing of the House 3M cochlear implant in November 1984. Improved performance in cochlear implants not only depends on understanding the physical and biophysical limitations of implant stimulation, but also on an understanding of the brain's pattern processing requirements. Modern signal processing represents the most important speech information while also providing the brain the pattern recognition information that it needs. Pattern recognition in the brain is more effective than algorithmic preprocessing at identifying important features in speech. A combination of engineering, signal processing, biophysics, and cognitive neuroscience was necessary to produce the right balance of technology to maximize the performance of auditory prosthesis. Cochlear implants have been also used to allow acquiring of spoken language development in congenitally deaf children, with remarkable success in early implantations (before 2–4 years of life have been reached). There have been about 80,000 children implanted worldwide. The concept of combining simultaneous electric acoustic stimulation (EAS) for the purposes of better hearing was first described by C. von Ilberg and J. Kiefer, from the Universitätsklinik Frankfurt, Germany, in 1999. That same year the first EAS patient was implanted. Since the early 2000s FDA has been involved in a clinical trial of device termed the "Hybrid" by Cochlear Corporation. This trial is aimed at examining the usefulness of cochlea implantation in patients with residual low frequency hearing. The "Hybrid" utilizes a shorter electrode than the standard cochlea implant, since the electrode is shorter it stimulates the basil region of the cochlea and hence the high frequency tonotopic region. In theory these devices would benefit patients with significant low frequency residual hearing who have lost perception in the speech frequency range and hence have decreased discrimination scores. For producing sound see Speech synthesis.

Ауырсынуды басатын протездер

СКС (Жұлындық стимулятор) құрылғысының екі негізгі компоненті бар: электрод және генератор. Невропатиялық ауырсынуға арналған СКС-тің техникалық мақсаты – науқастың ауырсыну аймағын «парестезия» деп аталатын стимуляциялық шағылысумен жасыру, себебі бұл қабаттасу ауырсынуды жеңілдету үшін қажет (бірақ жеткіліксіз). Парестезияның жаюы қоздырылатын афференттік жүйкелерге байланысты. Жұлындық мидың палитралық бетіне жақын, арқалық орта сызықты электродпен ең оңай қоздырылатындары – үлкен арқалық бағана афференттері, олар сегменттерді каудальды бағытта қамтитын кең парестезияны тудырады. Көне заманда электрлі балық ауырсынуды басу үшін шокер ретінде қолданылған. Емшілер балықтың генеративтік қасиеттерін пайдаланып, әртүрлі ауруларды, соның ішінде бас ауруларын емдеу үшін нақты және егжей-тегжейлі әдістерді әзірлеген. Тірі шок генераторын пайдаланудың қиындығына байланысты, терапияны дұрыс уақыт аралығында мақсатқа жеткізу үшін жоғары білік қажет болды (соның ішінде балықты мүмкіндігінше ұзақ өмір сүруді қамтамасыз ету). Электроанальгезия – электр қуатын мақсатты түрде қолданудың алғашқы тәжірибесі. XIX ғасырда батыс дәрігерлерінің көпшілігі пациенттеріне портативті генератор арқылы электротерапия ұсынды. Алайда, 1960 жылдардың ортасында үш фактор электрлік стимуляцияның болашағын қамтамасыз ету үшін бірікті. 1950 жылы бастау алған кардиостимулятор технологиясы қолжетімді болды. Мелзак пен Уолл ауырсынудың қақпашалық теориясын жариялады, онда ауырсынудың берілуі үлкен афференттік талшықтарды стимуляциялау арқылы тоқтатылуы мүмкін екені ұсынылды. Алғашқы дәрігерлер науқастарды ауырсынудан құтылу үшін жүйке жүйесін стимуляциялауға қызығушылық танытты. Электродтардың дизайндық мүмкіндіктеріне олардың өлшемі, пішіні, орналасуы, контактілердің саны мен тағайындалуы және электродтың имплантациялану тәсілі жатады. Импульстік генератордың дизайндық мүмкіндіктеріне қуат көзі, мақсатты анатомиялық орналасу орны, ток немесе кернеу көзі, импульс жылдамдығы, импульс ені және бірнеше тәуелсіз арналар кіреді. Бағдарламалау мүмкіндіктері өте көп (төрт контактілі электрод 50 функционалдық биполярлық комбинация ұсынады). Қазіргі құрылғылар пайдаланудың ең жақсы нұсқаларын табу үшін компьютерлік жабдықты қолданады. Бұл қайта бағдарламалау мүмкіндігі дене күйінің өзгеруін, электродтардың жылжуын, ауырсыну орнының өзгеруін және электродтардың оңтайсыз орналасуын толықтырады.

The SCS (Spinal Cord Stimulator) device has two main components: an electrode and a generator. The technical goal of SCS for neuropathic pain is to mask the area of a patient's pain with a stimulation induced tingling, known as "paresthesia", because this overlap is necessary (but not sufficient) to achieve pain relief. Paresthesia coverage depends upon which afferent nerves are stimulated. The most easily recruited by a dorsal midline electrode, close to the pial surface of spinal cord, are the large dorsal column afferents, which produce broad paresthesia covering segments caudally. In ancient times the electrogenic fish was used as a shocker to subside pain. Healers had developed specific and detailed techniques to exploit the generative qualities of the fish to treat various types of pain, including headache. Because of the awkwardness of using a living shock generator, a fair level of skill was required to deliver the therapy to the target for the proper amount of time. (Including keeping the fish alive as long as possible)
Electro analgesia was the first deliberate application of electricity. By the nineteenth century, most western physicians were offering their patients electrotherapy delivered by portable generator. In the mid 1960s, however, three things converged to ensure the future of electro stimulation. Pacemaker technology, which had it start in 1950, became available. Melzack and Wall published their gate control theory of pain, which proposed that the transmission of pain could be blocked by stimulation of large afferent fibers. Pioneering physicians became interested in stimulating the nervous system to relieve patients from pain. The design options for electrodes include their size, shape, arrangement, number, and assignment of contacts and how the electrode is implanted. The design option for the pulse generator includes the power source, target anatomic placement location, current or voltage source, pulse rate, pulse width, and a number of independent channels. Programming options are very numerous (a four contact electrode offers 50 functional bipolar combinations). The current devices use computerized equipment to find the best options for use. This reprogramming option compensates for postural changes, electrode migration, changes in pain location, and suboptimal electrode placement.

Моторлық протездер

Автономиялық жүйке жүйесінің жұмысын қолдайтын құрылғыларға несеп шығаруды бақылауға арналған имплант жатады. Соматикалық жүйке жүйесінде қозғалысты саналы түрде басқаруға көмектесу мақсатында функционалдық электрлік стимуляция және бел омыртқа алдыңғы тамыр стимуляторы қолданылады.

Блокаданы бақылау имплантаттары

Омыртқа миының зақымдануы салдарынан параплегия дамыған жағдайда, науқастар несеп шығаруда қиындыққа кезігеді, бұл инфекцияға алып келуі мүмкін. 1969 жылдан бастап Бриндли сакральді алдыңғы тамыр стимуляторын жасады, ал 1980-ші жылдардың басынан бастап адамдар арасында сәтті сынақтар жүргізілді. Бұл құрылғы омыртқа миының сакральді алдыңғы тамыр ганглияларының үстіне имплантацияланады; сыртқы бергіш арқылы басқарылады, үзіліс-үзіліс стимуляцияны жүзеге асырып, несеп шығаруды жақсартады. Ол сонымен қатар ішек қызметін жақсартады және ер адамдарға толық және ұзаққа созылатын эрекцияға қол жеткізуге мүмкіндік береді. Сакральдық нервтерді стимуляциялаудың осымен байланысты процедурасы, дені сау пациенттерде ұстамауды бақылауға арналған.

Қозғалыс қозғалысын саналы түрде басқаруға арналған моторлық протездер

Қазіргі уақытта зерттеушілер қозғалыс бұзылуы бар, мысалы, тетраплегия немесе амиотрофиялық бүйірлік склерозы бар адамдарға қозғалыс және сыртқы әлеммен қарым-қатынас жасау қабілетін қалпына келтіруге көмектесетін қозғалыс нейропротездерін зерттеп, жасауда. Зерттеулер көрсеткендей, жолақты дене (striatum) моторикалық-сенсорлық оқуда маңызды рөл атқарады. Бұл зертханалық егеуқұйрықтарының жолақты денесінің нейрондық оқшаулау жиілігінің бір тапсырманы қатарынан орындағаннан кейін жоғарылағанын көрсететін тәжірибемен дәлелденді. Мидан электр сигналдарын түсіру үшін ғалымдар шамамен бір шаршы сантиметрден кіші микроэлектродтар жиынтығын жасады, оларды бас сүйегіне имплантациялап, электр белсенділігін тіркеуге және тіркелген ақпаратты жұқа кабель арқылы беруге болады. Маймылдарды ондаған жылдар бойы зерттегеннен кейін, нейробиологтар нейрондық сигналдарды қозғалысқа айналдыра алды. Зерттеушілер аударманы аяқтағаннан кейін пациенттерге компьютер курсорын басқаруға мүмкіндік беретін интерфейстерді жасады және пациенттер қозғалыс туралы ойлап, роботтық аяқтар мен экзоскелеттерді басқара алатындай етіп жасауды бастады. Моторлық нейропротездер технологиясы әлі де бастапқы сатысында. Зерттеушілер мен қатысушылар протездерді қолданудың әртүрлі тәсілдерін сынап көруді жалғастыруда. Мысалы, пациенттің бірінші жұдырық қысып ойлануы, саусағын созу туралы ойланудан өзгеше нәтиже береді. Протездерде қолданылатын сүзгілер де жақсартуда, ал болашақта дәрігерлер сым арқылы емес, бас сүйегінің ішінде сымсыз сигналдар беретін имплант жасауға үміттенеді. Бұл жетістіктерге дейін Филип Кеннеди (Эмори және Джорджия Технологиялық институты) параличпен ауыратын адамға ми белсенділігін модуляциялау арқылы сөздерді жазуға мүмкіндік беретін, жұмыс істейтін, бірақ сәл примитивті жүйеге ие болды. Кеннедидің құрылғысында екі нейротрофты электрод қолданылды: біріншісі моторлық қабықтың сақталған аймағына (мысалы, саусақ бейнелеу аймағы) имплантацияланды және әріптер тобы арасында курсорды жылжыту үшін пайдаланылды. Екіншісі басқа моторлық аймаққа имплантацияланды және таңдауды көрсету үшін қолданылды. Жоғалған қолдарды кибернетикалық алмастыру бойынша жұмыстар жалғасуда, бұл үшін кеуде бұлшықтарымен әдетте байланысқан жүйкелер пайдаланылады. Бұл қолдар қозғалыс диапазонының шектеулі мүмкіндіктерін ұсынады және қысым мен температураны анықтауға арналған сенсорлармен жабдықталуы күтілуде. Чикагодағы Солтүстік-Батыс университеті мен оңалту институтының докторы Тодд Куикен ампутацияланған адамдардың моторизацияланған протездік құрылғыларды басқаруы және сезімдік кері байланыс алуы үшін мақсатты реиннервация деп аталатын әдісті әзірледі. 2002 жылы 100 электродтан тұратын мультиэлектродты тізбек, қазір Braingate сенсорлық бөлігін құрайды, ғалым Кевин Уорвик медиандық жүйке талшықтарына тікелей имплантацияланды. Тіркелген сигналдар Уорвик әріптесі Питер Киберд жасаған роботтық қолды басқару үшін пайдаланылды, ол Уорвик қолының қозғалыстарын имитациялай алды. Сонымен қатар, имплант арқылы жүйкеге кішкентай электр тогы жіберіліп, сезімдік кері байланыс қамтамасыз етілді. Бұл қолдың бірінші белдік бұлшықтарының жирылуына әкелді, және осы қозғалыс сезілді. Экзоскелет Бразилия үкіметі қаржылаған Мигель Николелис зертханасындағы "Қайтадан жүру" жобасымен жасалды.

Researchers are currently investigating and building motor neuroprosthetics that will help restore movement and the ability to communicate with the outside world to persons with motor disabilities such as tetraplegia or amyotrophic lateral sclerosis. Research has found that the striatum plays a crucial role in motor sensory learning. This was demonstrated by an experiment in which lab rats' firing rates of the striatum was recorded at higher rates after performing a task consecutively. To capture electrical signals from the brain, scientists have developed microelectrode arrays smaller than a square centimeter that can be implanted in the skull to record electrical activity, transducing recorded information through a thin cable. After decades of research in monkeys, neuroscientists have been able to decode neuronal signals into movements. Completing the translation, researchers have built interfaces that allow patients to move computer cursors, and they are beginning to build robotic limbs and exoskeletons that patients can control by thinking about movement. The technology behind motor neuroprostheses is still in its infancy. Investigators and study participants continue to experiment with different ways of using the prostheses. Having a patient think about clenching a fist, for example, produces a different result than having him or her think about tapping a finger. The filters used in the prostheses are also being fine tuned, and in the future, doctors hope to create an implant capable of transmitting signals from inside the skull wirelessly, as opposed to through a cable. Prior to these advancements, Philip Kennedy (Emory and Georgia Tech) had an operable if somewhat primitive system which allowed an individual with paralysis to spell words by modulating their brain activity. Kennedy's device used two neurotrophic electrodes: the first was implanted in an intact motor cortical region (e. g. finger representation area) and was used to move a cursor among a group of letters. The second was implanted in a different motor region and was used to indicate the selection. Developments continue in replacing lost arms with cybernetic replacements by using nerves normally connected to the pectoralis muscles. These arms allow a slightly limited range of motion, and reportedly are slated to feature sensors for detecting pressure and temperature. Dr. Todd Kuiken at Northwestern University and Rehabilitation Institute of Chicago has developed a method called targeted reinnervation for an amputee to control motorized prosthetic devices and to regain sensory feedback. In 2002 a Multielectrode array of 100 electrodes, which now forms the sensor part of a Braingate, was implanted directly into the median nerve fibers of scientist Kevin Warwick. The recorded signals were used to control a robot arm developed by Warwick's colleague, Peter Kyberd and was able to mimic the actions of Warwick's own arm. Additionally, a form of sensory feedback was provided via the implant by passing small electrical currents into the nerve. This caused a contraction of the first lumbrical muscle of the hand and it was this movement that was perceived. The exoskeleton was developed by the Walk Again Project at the laboratory of Miguel Nicolelis, funded by the government of Brazil.

Ампутация әдістері

MIT биомехатроника тобы биологиялық бұлшықеттер мен миоэлектрлік протездерді жоғары сенімділікпен нейрологиялық байланысқа мүмкіндік беретін жаңа ампутация парадигмасын жасады. Агонист-антагонист мионеврологиялық интерфейс (АМИ) деп аталатын бұл хирургиялық парадигма пайдаланушыға протездік мүшені тек қосымшаға ұқсайтын протездік мүшені пайдаланбастан, өз денесінің жалғасы ретінде сезіне білу және басқару мүмкіндігін береді. Агонист-антагонист бұлшық еттерінің жұп қатынасы (мысалы, бицепс-трицепс) кезінде агонист бұлшық ет жиырылғанда, антагонист бұлшық ет созылады және керісінше, бұл адамның мүшесінің орнын тіпті оған қарамай-ақ білуін қамтамасыз етеді. Стандартты ампутация кезінде агонист-антагонист бұлшық еттер (мысалы, бицепс-трицепс) бір-бірінен оқшауланады, бұл сенсорлық кері байланыс тудыратын динамикалық келісімді кеңейту механизмін қолдануға мүмкіндік бермейді. Сондықтан, қазіргі ампутацияланған адамдар протез мүшелері кездесетін физикалық ортаны сезінудің жолын таба алмайды. Сонымен қатар, 200 жылдан астам уақыттан бері қолданылып келе жатқан ампутация хирургиясы бойынша науқастардың 1/3-і аяқ-қолдарының ауырғаны үшін қайталап операция жасатады. АМИ - бастапқыда агонист-антагонист қатынасын бөліскен екі бұлшық еттен тұрады. Ампутация кезінде бұл екі бұлшықет ампутацияланған тұтқынды механикалық түрде біріктіреді. Бірнеше протездік буындарды бақылау және сезу үшін пациенттегі әр буындағы еркіндік дәрежесіне бір АМИ бұлшық еттер жұбы жасалуы мүмкін. Бұл жаңа нейрондық интерфейсті алдын ала сынағанда АМИ-мен ауыратын науқастар протезді жақсырақ бақылауға алатынын көрсетті. Сонымен қатар, дәстүрлі ампутациямен салыстырғанда баспалдақпен жүру кезінде табиғи түрде рефлексивті мінез-құлық байқалды. АМИ екі деваскуляризацияланған бұлшық еттер трансплантатының бірігуі арқылы да жасалуы мүмкін. Бұл бұлшық еттер трансплантаттары (немесе жапсырмалары) денервацияланған (түпкі жүйкелерден бөлінген) және дененің бір бөлігінен алынып тасталған, ампутацияланатын аяқ-қолдағы кесілген жүйкелермен қайта иннервацияланатын қосалқы бұлшық еттер. Бұл сигналдарды математикалық модельдеу "нейрондарды және олардың синапстық байланыстарын қамтитын жасушалық / молекулалық механизмдерге тән сызықтық емес динамикаға байланысты" күрделі міндет болып табылады. Нейрондардың шығысы қай постсинаптикалық кіріс белсенді екеніне және қандай ретімен қабылданатынына байланысты (тиісті және уақытша қасиеттері). I/O параметрлері математикалық модельденгеннен кейін интегралдық схемалар қалыпты биологиялық сигналдарды еліктеуге арналған. Протездің қалыпты тіндер сияқты жұмыс істеуі үшін, ол кіріс сигналдарын қалыпты тіндер сияқты өңдеуі керек, бұл процесс трансформация деп аталады.

The MIT Biomechatronics Group has designed a novel amputation paradigm that enables biological muscles and myoelectric prostheses to interface neurally with high reliability. This surgical paradigm, termed the agonist antagonist myoneural interface (AMI), provides the user with the ability to sense and control their prosthetic limb as an extension of their own body, rather than using a prosthetic that merely resembles an appendage. In a normal agonist antagonist muscle pair relationship (e. g. bicep tricep), when the agonist muscle contracts, the antagonist muscle is stretched, and vice versa, providing one with the knowledge of the position of one's limb without even having to look at it. During a standard amputation, agonist antagonist muscles (e. g. bicep tricep) are isolated from each other, preventing the ability to have the dynamic contract extend mechanism that generates sensory feedback. Therefore, current amputees have no way of feeling the physical environment their prosthetic limb encounters. Moreover, with the current amputation surgery which has been in place for over 200 years, 1/3 patients undergo revision surgeries due to pain in their stumps. An AMI is composed of two muscles that originally shared an agonist antagonist relationship. During the amputation surgery, these two muscles are mechanically linked together within the amputated stump. One AMI muscle pair can be created for each joint degree of freedom in a patient in order to establish control and sensation of multiple prosthetic joints. In preliminary testing of this new neural interface, patients with an AMI have demonstrated and reported greater control over the prosthesis. Additionally, more naturally reflexive behavior during stair walking was observed compared to subjects with a traditional amputation. An AMI can also be constructed through the combination of two devascularized muscle grafts. These muscle grafts (or flaps) are spare muscle that is denervated (detached from original nerves) and removed from one part of the body to be re innervated by severed nerves found in the limb to be amputated. Mathematical modeling of these signals is a complex task "because of the nonlinear dynamics inherent in the cellular/molecular mechanisms comprising neurons and their synaptic connections". The output of nearly all brain neurons are dependent on which post synaptic inputs are active and in what order the inputs are received. (spatial and temporal properties, respectively). Once the I/O parameters are modeled mathematically, integrated circuits are designed to mimic the normal biologic signals. For the prosthetic to perform like normal tissue, it must process the input signals, a process known as transformation, in the same way as normal tissue.

Өлшемі

Имплантацияланатын құрылғылар миға тікелей орнатылу үшін өте кішкентай болуы керек, шамамен жиырма теңге монетасының мөлшерінде. Микроимплантацияланатын электродтар тізімінің бір мысалы – Юта тізімі. Сымсыз басқару құрылғыларын бас сүйегінің сыртында орнатуға болады және олар пейджерден кіші болуы тиіс.

Электр қуатын тұтыну

Электр қуатын тұтыну батареяның мөлшерін анықтайды. Имплантацияланған тізбектерді оңтайландыру қуатқа қажеттілікті азайтады. Имплантацияланған құрылғыларға қазіргі уақытта бортындағы қуат көздері қажет. Батареясы таусылған жағдайда, құрылғыны ауыстыру үшін операция жасау қажет болады. Батареяның ұзақ қызмет ету мерзімі, батареяны ауыстыру үшін қажетті операциялардың азаюымен байланысты. Электр тіс щеткаларында қолданылатын, имплантацияланған батареяларды операциясыз немесе сымсыз зарядтаудың бір жолы бар. Бұл құрылғылар батареяларды зарядтау үшін индуктивті зарядтау принципін пайдаланады. Тағы бір стратегия – радиожиіліктік идентификациялық таңбалар сияқты электромагниттік энергияны электр энергиясына түрлендіру.

Биологиялық үйлесімділік

Когнитивті протездер тікелей миға имплантацияланады, сондықтан биологиялық үйлесімділік – еңсеруге тиіс өте маңызды кедергі. Құрылғы корпусында қолданылатын материалдар, электрод материалы (мысалы, иридий оксиді) және электрод оқшаулағышы ұзақ мерзімді имплантация үшін таңдалуы керек. Стандарттарға сәйкес: ISO 14708-3:2008-11-15, Хирургиялық имплантаттар – Белсенді имплантацияланатын медициналық құрылғылар. 3-бөлім: Имплантацияланатын нейростимуляторлар. Қан-мұғза бөгетін кесіп өту патогендерді немесе иммундық жауапты тудыруы мүмкін басқа материалдарды енгізуге әкелуі мүмкін. Мидің өзіндік иммундық жүйесі бар, ол организмнің қалған бөлігінің иммундық жүйесінен әр түрлі жұмыс істейді.

Деректерді беру

Сымсыз хабар тарату адамдардың күнделікті өмірінде нейрондық сигналдарды үздіріссіз жазуға мүмкіндік беру үшін әзірленуде. Бұл дәрігерлер мен клиникалық мамандарға көбірек дерек жинауға, эпилепсия сияқты қысқа мерзімді оқиғаларды тіркеуге және осы арқылы жүйке ауруларын жақсы емдеуге және сипаттауға мүмкіндік береді. Стэнфорд университетінде приматтардың ми нейрондарын үнемі жазуға арналған кішкентай, жеңіл құрылғы жасалды. Бұл технология нейроғалымдарға зертхананың бақылауындағы жағдайдан тыс миды зерттеуге де мүмкіндік береді. Нейропротездер мен сыртқы жүйелер арасындағы деректерді беру әдістері сенімді және қауіпсіз болуы керек. Сымсыз нейрондық имплантаттар басқа да ақпараттық жүйелердегідей киберқауіпсіздікке сезімтал болуы мүмкін, осыған байланысты "нейроқауіпсіздік" термині пайда болды. Нейроқауіпсіздіктің бұзылуы медициналық құпиялылықты бұзу болып есептеледі.

Дұрыс имплантация

Құрылғыны имплантациялау көптеген мәселелер тудырады. Біріншіден, дұрыс пресинаптикалық кірістер құрылғыдағы дұрыс постсинаптикалық кірістерге жалғануы керек. Екіншіден, құрылғыдан шығатын сигналдар қажетті тіндерге дұрыс бағытталуы тиіс. Үшіншіден, ми имплантты қалай пайдалану керектігін үйренуі керек. Мидың пластикалық қабілеттерін зерттеудің әртүрлі зерттеулері, бұны тиісті мотивациямен жасалған жаттығулар арқылы іске асыруға болатынын көрсетеді.

Жергілікті өрістік потенциалдар

Жергілікті өрістік потенциалдар (LFP) – тіндер көлеміндегі барлық дендриттік синаптық белсенділіктің жиынтығымен байланысты электрофизиологиялық сигналдар. Жақындағы зерттеулер мақсаттар мен күтілетін құндылықтардың нейрондық-когнитивтік протездерде қолданылуы мүмкін жоғары деңгейдегі когнитивтік функциялар екенін көрсетеді. Сонымен қатар, Райс университетінің ғалымдары нанобөлшектердің жарықтан туындаған дірілдеуін, бөлшектер бекітілген бетке енгізілген шағын өзгерістер арқылы реттеудің жаңа әдісін тапты. Университет мәлімдемесіне сәйкес, бұл жаңалық молекулалық сезімталдықтан сымсыз байланысқа дейінгі фотониканың жаңа қолданылу салаларына әкелуі мүмкін. Олар алтын нанодискілердегі атомдарды дірілдету үшін ультражылдам лазерлік импульстерді пайдаланды.

Автоматтандырылған жылжымалы электр зондтары

Электродтарды ұзақ мерзімге имплантациялау бір қиындық. Егер электродтар физикалық соққыдан жылса немесе ми электродтардың орналасуына қатысты қозғалса, электродтар басқа жүйкелерден сигналдарды тіркеуі мүмкін. Оптималды сигналды сақтау үшін электродтарды реттеу қажет. Көп электродты тізімдерді жеке-жеке реттеу өте көңілді және уақытты көп алатын процесс. Автоматты түрде реттелетін электродтарды жасау бұл мәселені шешер еді. Андерсон тобы қазір Ю Чонг Тайдың зертханасымен және Бурдик зертханасымен (барлығы Калтехте) бірлесіп, электролиз негізінде жұмыс істейтін механизмдерді пайдаланып, созылмалы түрде имплантацияланған электродтар тізіміндегі электродтарды тәуелсіз реттеуге мүмкіндік беретін жүйені жасап жатыр.

Суретке сүйене отырып жүргізілетін хирургиялық әдістер

Бейне бағытталған хирургия миға имплантацияланатын құрылғыларды нақты орналастыру үшін пайдаланылады.