Введение

Нейропротезирование (также называемое нейронным протезированием) – это дисциплина, связанная с нейронаукой и биомедицинской инженерией, занимающаяся разработкой нейронных протезов. Их иногда противопоставляют интерфейсам «мозг – компьютер», которые соединяют мозг с компьютером, а не с устройством, предназначенным для замены утраченной биологической функции. Нейронные протезы – это ряд устройств, способных замещать двигательные, сенсорные или когнитивные функции, которые могли быть повреждены в результате травмы или заболевания. Кохлеарные имплантаты служат примером таких устройств. Они замещают функции барабанной перепонки и стремечка, одновременно имитируя частотный анализ, выполняемый в улитке. Микрофон внешнего блока улавливает звук и обрабатывает его; обработанный сигнал затем передается во внутренний блок, который стимулирует слуховой нерв через массив микроэлектродов. Замещая или усиливая поврежденные органы чувств, эти устройства призваны улучшить качество жизни людей с ограниченными возможностями. Эти имплантируемые устройства также широко используются в экспериментах на животных как инструмент, помогающий нейробиологам глубже понять мозг и его функционирование. Благодаря беспроводному мониторингу электрических сигналов мозга, посылаемых электродами, имплантированными в мозг подопытного, исследование объекта может проводиться без влияния устройства на результаты. Точное зондирование и регистрация электрических сигналов в мозге поможет лучше понять взаимосвязь между локальной популяцией нейронов, отвечающих за конкретную функцию. Нейронные имплантаты разрабатываются максимально компактными для обеспечения минимальной инвазивности, особенно в областях вокруг мозга, глаз или улитки. Эти имплантаты обычно взаимодействуют со своими протезными аналогами беспроводным способом. Кроме того, питание в настоящее время осуществляется посредством беспроводной передачи энергии через кожу. Ткани, окружающие имплантат, обычно очень чувствительны к повышению температуры, что означает, что энергопотребление должно быть минимальным, чтобы предотвратить повреждение тканей. В настоящее время наиболее широко используемым нейропротезом является кохлеарный имплантат, который по состоянию на 2019 год использовался более чем 736 900 раз во всем мире.

История

Первый известный кохлеарный имплантат был создан в 1957 году. Другие важные этапы включают первый двигательный протез для коррекции отвисающей стопы при гемиплегии в 1961 году, первый имплантат ствола мозга в 1977 году и периферический нервный мостик, имплантированный в спинной мозг взрослой крысы в 1981 году. В 1988 году имплантация переднего корешка поясничного спинного нерва и функциональная электрическая стимуляция (ФЭС) позволили группе параплегиков вставать и ходить. Что касается разработки электродов, имплантируемых в мозг, одной из ранних трудностей была точная локализация электродов, первоначально осуществлявшаяся путем введения электродов с помощью игл и последующего облома игл на нужной глубине. Современные системы используют более продвинутые зонды, такие как те, что применяются при глубокой стимуляции мозга для облегчения симптомов болезни Паркинсона. Проблема заключается в том, что мозг свободно плавает в черепе, а зонд – нет, и даже незначительные удары, например, при дорожно-транспортном происшествии на небольшой скорости, могут привести к повреждениям. Некоторые исследователи, такие как Кенсалл Уайз из Мичиганского университета, предложили фиксировать «электроды, предназначенные для установки на внешней поверхности мозга» к внутренней поверхности черепа. Однако даже в случае успеха, такая фиксация не решит проблему для устройств, предназначенных для глубокого внедрения в мозг, например, при глубокой стимуляции мозга (DBS).

Визуальные протезы

Визуальный протез может создавать ощущение образа, электрически стимулируя нейроны в зрительной системе. Камера будет беспроводным путем передавать сигнал на имплантат, который сопоставит изображение с массивом электродов. Массив электродов должен эффективно стимулировать 600–1000 точек, стимулируя эти оптические нейроны в сетчатке, что и создаст изображение. Стимуляцию также можно проводить в любом месте вдоль пути зрительного сигнала. Можно стимулировать зрительный нерв для создания изображения или стимулировать зрительную кору, хотя клинические испытания показали наибольший успех для имплантатов сетчатки. Система визуального протеза состоит из внешней (или имплантируемой) системы визуализации, которая захватывает и обрабатывает видео. Энергия и данные будут передаваться на имплантат беспроводным путем внешним блоком. Имплантат использует полученную мощность/данные для преобразования цифровых данных в аналоговый выход, который будет доставлен к нерву через микроэлектроды. Фоторецепторы – это специализированные нейроны, которые преобразуют фотоны в электрические сигналы. Они являются частью сетчатки, многослойной нейронной структуры толщиной около 200 мкм, выстилающей заднюю часть глаза. Обработанный сигнал отправляется в мозг через зрительный нерв. Повреждение любой части этого пути может привести к слепоте. Слепота может быть вызвана повреждением зрительных путей (роговицы, водянистой влаги, хрусталика и стекловидного тела). Это может произойти в результате несчастного случая или заболевания. Двумя наиболее распространенными дегенеративными заболеваниями сетчатки, приводящими к слепоте вследствие потери фоторецепторов, являются возрастная макулярная дегенерация (АМД) и пигментный ретинит (ПР). Первое клиническое испытание постоянно имплантируемого ретинального протеза было проведено с использованием устройства с пассивным массивом микрофотодиодов, состоящим из 3500 элементов. Это испытание было проведено в Optobionics, Inc. в 2000 году. В 2002 году Second Sight Medical Products, Inc. (Sylmar, CA) начала испытания прототипа эпиретинового имплантата с 16 электродами. Участниками были шесть человек с восприятием света вторичным по отношению к ПР. Участники продемонстрировали способность различать три распространенных предмета (тарелку, чашку и нож) на уровне, статистически отличающемся от случайного. В 2006 году начались клинические испытания активного субретинового устройства, разработанного Retina Implant GMbH (Рютлинген, Германия). Под сетчатку был имплантирован чип с 1500 микрофотодиодами. Микрофотодиоды служат для модуляции импульсов тока в зависимости от количества света, падающего на фотодиод. Основополагающая экспериментальная работа по разработке визуальных протезов была выполнена с помощью стимуляции коры головного мозга с использованием сетки электродов большой площади. В 1968 году Гайлес Бриндли имплантировал устройство с 80 электродами на зрительную кору 52-летней слепой женщины. В результате стимуляции пациентка смогла видеть фосфены в 40 различных положениях поля зрения. Этот эксперимент показал, что имплантированное устройство электрической стимуляции может восстановить некоторую степень зрения. Недавние исследования протезов зрительной коры оценили эффективность стимуляции зрительной коры у приматов. В этом эксперименте после обучения и картирования обезьяна смогла выполнять ту же самую задачу визуального саккадического движения как при световой, так и при электрической стимуляции. Требования к ретинальному протезу высокого разрешения должны определяться потребностями и желаниями слепых людей, которые получат от него пользу. Взаимодействие с этими пациентами показывает, что мобильность без трости, распознавание лиц и чтение являются основными необходимыми возможностями. Результаты и перспективы полностью функциональных визуальных протезов захватывают воображение. Однако проблемы серьезны. Для формирования качественного изображения в сетчатке требуется большое количество микроэлектродных массивов. Кроме того, качество изображения зависит от объема информации, который можно передать по беспроводной связи. Этот большой объем информации также должен быть получен и обработан имплантатом с минимальными потерями энергии, которые могут повредить ткани. Размер имплантата также вызывает серьезную озабоченность. Любой имплантат предпочтительнее минимально инвазивным. Участники описывали ощущение щелкающих звуков во время стимуляции. В 1972 году в клинике House Ear Clinic был имплантирован первый портативный кохлеарный имплант для взрослого. Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (FDA) официально одобрило продажу кохлеарного импланта House 3M в ноябре 1984 года. Улучшение производительности кохлеарных имплантов зависит не только от понимания физических и биофизических ограничений стимуляции импланта, но и от понимания требований мозга к обработке паттернов. Современная обработка сигналов представляет наиболее важную речевую информацию, одновременно предоставляя мозгу информацию о распознавании паттернов, которая ему необходима. Распознавание паттернов в мозге более эффективно, чем алгоритмическая предварительная обработка, при выявлении важных особенностей речи. Для достижения оптимального баланса технологий и максимизации производительности слуховых протезов потребовалось сочетание инженерных разработок, обработки сигналов, биофизики и когнитивной нейронауки. Кохлеарные импланты также использовались для развития речи у детей с врожденной глухотой, с замечательными успехами при ранней имплантации (до достижения 2–4 лет). Во всем мире было имплантировано около 80 000 детей. Концепция одновременной электроакустической стимуляции (ЭАС) для улучшения слуха впервые была описана C. von Ilberg и J. Kiefer из Universitätsklinik Frankfurt (Германия) в 1999 году. В том же году был имплантирован первый пациент с ЭАС. С начала 2000-х годов FDA участвует в клиническом испытании устройства, названного "Hybrid" компанией Cochlear Corporation. Это испытание направлено на изучение полезности кохлеарной имплантации у пациентов с остаточным слухом на низких частотах. "Hybrid" использует более короткий электрод, чем стандартный кохлеарный имплант, поскольку более короткий электрод стимулирует базилярную область улитки и, следовательно, высокочастотную тонотопическую область. Теоретически, эти устройства могут принести пользу пациентам со значительным остаточным слухом на низких частотах, которые потеряли восприятие в речевом диапазоне частот и, следовательно, имеют сниженные показатели разборчивости речи. Подробности о создании звука см. в разделе "Синтез речи".

Протезы для облегчения боли

Устройство SCS (Spinal Cord Stimulator) состоит из двух основных компонентов: электрода и генератора. Техническая цель СКС при нейропатической боли заключается в маскировке области боли пациента стимуляцией, вызывающей ощущение покалывания, известное как "парестезия", поскольку это перекрытие необходимо (но недостаточно) для достижения облегчения боли. Область покрытия парестезии зависит от того, какие афферентные нервы стимулируются. Наиболее легко стимулируются большим спинномозговым электродом, расположенным близко к плёвой поверхности спинного мозга, крупные афференты задних столбов, которые создают широкую парестезию, распространяющуюся на каудальные сегменты. В древности электрогенные рыбы использовались как устройства для нанесения ударов электрическим током для облегчения боли. Целители разработали специальные и детальные техники, чтобы использовать генеративные свойства рыб для лечения различных видов боли, включая головную боль. Из-за неудобства использования живого источника электрических импульсов требовался высокий уровень мастерства, чтобы доставить терапию к цели в течение необходимого времени (включая поддержание жизнеспособности рыбы как можно дольше). Электроанальгезия была первым намеренным применением электричества. К XIX веку большинство западных врачей предлагали своим пациентам электротерапию с помощью портативных генераторов. Однако в середине 1960-х годов три фактора сошлись, чтобы обеспечить будущее электростимуляции. Технология кардиостимуляторов, разработка которой началась в 1950 году, стала доступной. Мелзак и Уолл опубликовали свою теорию контроля боли, которая предполагала, что передача болевых импульсов может быть заблокирована стимуляцией крупных афферентных волокон. Передовые врачи заинтересовались стимуляцией нервной системы для облегчения боли у пациентов. Варианты конструкции электродов включают их размер, форму, расположение, количество, назначение контактов и способ имплантации. Варианты конструкции генератора импульсов включают источник питания, местоположение целевой анатомической области, источник тока или напряжения, частоту импульсов, ширину импульса и количество независимых каналов. Возможности программирования чрезвычайно разнообразны (четырехконтактный электрод предлагает 50 функциональных биполярных комбинаций). Современные устройства используют компьютерное оборудование для определения оптимальных параметров. Эта возможность перепрограммирования компенсирует изменения положения тела, миграцию электродов, изменения локализации боли и неоптимальное положение электродов.

Моторные протезы

Средства, поддерживающие функцию автономной нервной системы, включают имплантат для контроля функции мочевого пузыря. В соматической нервной системе попытки усилить сознательный контроль движений включают функциональную электрическую стимуляцию и стимулятор передних корешков поясничного отдела спинного мозга.

Имплантаты для контроля мочевого пузыря

Если повреждение спинного мозга приводит к параплегии, пациенты испытывают трудности с опорожнением мочевого пузыря, что может вызвать инфекцию. Начиная с 1969 года, Бриндли разработал сакральный передний корневой стимулятор, успешные испытания которого на людях проводились с начала 1980-х годов. Это устройство имплантируется над сакральными передними корешковыми ганглиями спинного мозга и, управляемое внешним передатчиком, обеспечивает прерывистую стимуляцию, улучшающую опорожнение мочевого пузыря. Оно также облегчает дефекацию и позволяет мужчинам достигать и поддерживать полную эрекцию. Связанная процедура – стимуляция сакрального нерва – применяется для контроля недержания мочи у пациентов, не имеющих неврологических нарушений.

Моторные протезы для сознательного управления движением

В настоящее время исследователи изучают и разрабатывают двигательные нейропротезы, которые помогут восстановить движение и способность общаться с внешним миром людям с двигательными нарушениями, такими как тетраплегия или боковой амиотрофический склероз. Исследования показали, что полосатое тело играет ключевую роль в моторно-сенсорном обучении. Это было продемонстрировано в эксперименте, в котором частота импульсов нейронов полосатого тела у лабораторных крыс возрастала после последовательного выполнения задачи. Для регистрации электрических сигналов мозга ученые разработали микроэлектродные матрицы размером менее одного квадратного сантиметра, которые можно имплантировать в череп для записи электрической активности, передавая зарегистрированную информацию по тонкому кабелю. После десятилетий исследований на обезьянах нейробиологи научились декодировать нейронные сигналы в движения. Завершив разработку, исследователи создали интерфейсы, позволяющие пациентам перемещать курсоры на компьютере, и приступают к созданию роботизированных конечностей и экзоскелетов, которыми пациенты смогут управлять силой мысли. Технология, лежащая в основе двигательных нейропротезов, все еще находится на ранней стадии развития. Исследователи и участники исследований продолжают экспериментировать с различными способами использования протезов. Например, мысль пациента о сжатии кулака дает иной результат, чем мысль о постукивании пальцем. Фильтры, используемые в протезах, также подвергаются тонкой настройке, и в будущем врачи надеются создать имплантат, способный передавать сигналы изнутри черепа беспроводным способом, а не по кабелю. До этих достижений Филипп Кеннеди (Эмори и Джорджия Тех) разработал работоспособную, хотя и несколько примитивную систему, которая позволяла человеку с параличом набирать слова, модулируя свою мозговую активность. Устройство Кеннеди использовало два нейротрофических электрода: первый был имплантирован в неповрежденную моторную область коры (например, область, отвечающую за представление пальцев) и использовался для перемещения курсора между буквами. Второй был имплантирован в другую моторную область и использовался для подтверждения выбора. Продолжаются разработки по замене утраченных рук кибернетическими протезами с использованием нервов, обычно подключенных к грудным мышцам. Эти руки обеспечивают несколько ограниченный диапазон движений и, по сообщениям, будут оснащены датчиками для определения давления и температуры. Доктор Тодд Куикен из Северо-Западного университета и Института реабилитации в Чикаго разработал метод целевой реиннервации, позволяющий ампутированным управлять моторизованными протезами и восстанавливать сенсорную обратную связь. В 2002 году в волокна срединного нерва ученого Кевина Уорвика был имплантирован многоэлектродный массив из 100 электродов, который теперь является сенсорной частью системы Braingate. Записанные сигналы использовались для управления роботизированной рукой, разработанной коллегой Уорвика Питером Кибердом, которая могла имитировать движения руки самого Уорвика. Кроме того, через имплантат обеспечивалась форма сенсорной обратной связи путем пропускания небольших электрических токов в нерв. Это вызывало сокращение первой пястной мышцы кисти, и именно это движение воспринималось. Экзоскелет был разработан проектом Walk Again Project в лаборатории Мигеля Николелиса при финансовой поддержке правительства Бразилии.

Методы ампутации

Группа биомехатроники MIT разработала новую парадигму ампутации, обеспечивающую нейронное взаимодействие биологических мышц и миоэлектрических протезов с высокой надежностью. Эта хирургическая парадигма, называемая агонист-антагонистическим мионевральным интерфейсом (AMI), позволяет пользователю воспринимать и контролировать протезную конечность как естественное продолжение своего тела, а не как просто имитирующий придаток. В нормальных отношениях между мышцами-агонистами и мышцами-антагонистами (например, бицепсом и трицепсом) при сокращении мышцы-агониста мышца-антагонист растягивается, и наоборот, что позволяет ощущать положение конечности, не глядя на нее. При стандартной ампутации мышцы-агонисты и мышцы-антагонисты (например, бицепс и трицепс) изолируются друг от друга, что исключает возможность динамического механизма сокращения-растяжения, генерирующего сенсорную обратную связь. В результате современные ампутанты не могут ощущать физическое воздействие окружающей среды на свой протез. Более того, существующая хирургическая техника ампутации, применяемая более 200 лет, требует повторных операций у трети пациентов из-за боли в культе. AMI состоит из двух мышц, которые первоначально выполняли функции агониста и антагониста. Во время операции по ампутации эти две мышцы механически соединяются внутри культи. Для каждого уровня свободы сустава у пациента может быть сформирована одна пара мышц AMI, чтобы обеспечить контроль и ощущение нескольких протезных суставов. В ходе предварительных испытаний этого нового нейронного интерфейса пациенты с AMI продемонстрировали и сообщили о лучшем контроле над протезом. Кроме того, по сравнению с пациентами после традиционной ампутации, у них наблюдалось более естественное рефлекторное поведение при ходьбе по лестнице. AMI также можно создать путем объединения двух деваскуляризованных мышечных трансплантатов. Эти мышечные трансплантаты (или лоскуты) представляют собой избыточную мышечную ткань, лишенную нервного питания (отделенную от исходных нервов) и удаленную из одной части тела для повторной иннервации отсеченными нервами в ампутируемой конечности. Математическое моделирование этих сигналов – сложная задача "из-за нелинейной динамики, присущей клеточным и молекулярным механизмам, составляющим нейроны и их синаптические связи". Выходная активность почти всех нейронов мозга зависит от того, какие постсинаптические входы активны и в каком порядке они поступают (соответственно, пространственные и временные характеристики). После математического моделирования параметров ввода-вывода разрабатываются интегральные схемы для имитации нормальных биологических сигналов. Для того чтобы протез функционировал как нормальная ткань, он должен обрабатывать входные сигналы, процесс, известный как трансформация, так же, как и нормальная ткань.

Размер

Имплантируемые устройства должны быть очень маленькими, чтобы их можно было имплантировать непосредственно в мозг, примерно размером с монету в двадцать пять центов. Одним из примеров микроимплантируемой электродной матрицы является массив Юты. Беспроводные устройства управления могут быть установлены снаружи черепа и должны быть меньше пейджера.

Потребление электроэнергии

Потребление энергии определяет размер батареи. Оптимизация имплантированных схем снижает энергопотребность. Имплантируемые устройства в настоящее время требуют наличия бортовых источников питания. Когда батарея разряжается, требуется хирургическое вмешательство для замены устройства. Более длительный срок службы батареи коррелирует с уменьшением количества операций по замене батарей. Один из способов подзарядки имплантируемых батарей без хирургии или проводов уже используется в электрических зубных щетках. Эти устройства используют индуктивную зарядку для подзарядки батарей. Другая стратегия заключается в преобразовании электромагнитной энергии в электрическую, как, например, в радиочастотных метках идентификации.

Биосовместимость

Когнитивные протезы имплантируются непосредственно в мозг, поэтому биосовместимость является крайне важным препятствием, которое необходимо преодолеть. Материалы, используемые для корпуса устройства, материал электродов (например, оксид иридия) и электроизоляция должны быть подобраны для длительной имплантации. Соответствие стандартам: ISO 14708-3:2008(E), Имплантаты для хирургии. Активные имплантируемые медицинские устройства. Часть 3: Имплантируемые нейростимуляторы. Проникновение через гематоэнцефалический барьер может привести к попаданию патогенов или других веществ, способных вызвать иммунный ответ. Мозг обладает собственной иммунной системой, функционирующей иначе, чем иммунная система остального организма.

Передача данных

Беспроводная передача данных разрабатывается для обеспечения непрерывной регистрации нейронных сигналов у людей в повседневной жизни. Это позволяет врачам и клиницистам получать больше данных, гарантируя возможность регистрации кратковременных событий, таких как эпилептические приступы, что способствует более эффективному лечению и характеристике нейрологических заболеваний. В Стэнфордском университете было разработано небольшое и легкое устройство, обеспечивающее постоянную регистрацию нейронов мозга приматов. Эта технология также позволяет нейробиологам изучать мозг вне контролируемых лабораторных условий. Методы передачи данных между нейронными протезами и внешними системами должны быть надежными и безопасными. Беспроводные нейронные имплантаты могут иметь те же уязвимости в области кибербезопасности, что и любые другие ИТ-системы, что привело к появлению термина "нейробезопасность". Нарушение нейробезопасности может рассматриваться как нарушение медицинской конфиденциальности.

Правильная имплантация

Имплантация устройства сопряжена со многими проблемами. Во-первых, необходимо правильно соединить соответствующие пресинаптические входы с соответствующими постсинаптическими входами на устройстве. Во-вторых, выходы устройства должны быть точно направлены на целевую ткань. В-третьих, мозгу необходимо научиться использовать имплант. Различные исследования пластичности мозга позволяют предположить, что это возможно посредством упражнений, разработанных с учетом надлежащей мотивации.

Локальные полевые потенциалы

Локальные полевые потенциалы (ЛФП) – это электрофизиологические сигналы, отражающие сумму всей дендритной синаптической активности в объеме ткани. Недавние исследования показывают, что цели и ожидаемая ценность являются когнитивными функциями высокого уровня, которые могут быть использованы в нейронных когнитивных протезах. Также ученые из Университета Райса обнаружили новый метод настройки светоиндуцированных колебаний наночастиц посредством незначительных изменений поверхности, к которой прикреплены частицы. По сообщению университета, это открытие может привести к новым применениям фотоники – от молекулярного зондирования до беспроводной связи. Для этого они использовали ультракороткие лазерные импульсы, чтобы вызвать колебания атомов в золотых нанодисках.

Автоматические подвижные электрические зонды

Одним из препятствий, которые необходимо преодолеть, является длительная имплантация электродов. Если электроды смещаются под воздействием физического удара или мозг перемещается относительно их положения, электроды могут начать регистрировать сигналы от других нервов. Для поддержания оптимального сигнала требуется корректировка положения электродов. Индивидуальная настройка многоэлектродных матриц – очень кропотливый и занимающий много времени процесс. Разработка электродов с автоматической регулировкой позволила бы решить эту проблему. Группа Андерсона в настоящее время сотрудничает с лабораторией Ю Чон Тай и лабораторией Бурдика (все в Caltech) для создания такой системы, использующей электролитические актуаторы для независимой регулировки электродов в хронически имплантированной матрице электродов.

Хирургические методы с помощью изображений

Хирургия, контролируемая визуализацией, используется для точного позиционирования имплантатов мозга.