Устройства нейронной инженерии-декодирование мозга.

Нейронная инженерия-предполагающая проектирование имплантатов головного мозга, связанных с внешними технологиями, основанными на восстановлении и увеличении функций человека посредством прямых взаимодействий между нервной системой и искусственными устройствами – является быстро развивающейся областью. В настоящее время ведутся интенсивные исследования по изучению кодирования и обработки информации в сенсорных и моторных системах с тем, чтобы ею можно было манипулировать посредством взаимодействия с инженерными устройствами, включая приложения для интерфейса мозг-компьютер (BCI) и нейро протезирование.

Приборы нейронной инженерии раскрыты для специфических применений как регенерация пост-ушиба периферийного нерва, ткани спинного мозга,и ретинальной ткани. Для разработки этих устройств нейронные инженеры должны обладать глубокими знаниями о том, как функционирует и работает нервная система. Они декодируют химические, электрические, магнитные и оптические сигналы, ответственные за потенциалы внеклеточного поля и синаптическую передачу в нервной ткани.

Для понимания свойств активности нейронных систем используются методы обработки сигналов и вычислительного моделирования. Для обработки этих сигналов напряжения на нейронных мембранах преобразуются в соответствующий код-процесс, известный как нейронное кодирование. Это включает в себя анализ движения и сенсорных явлений путем понимания того, как мозг кодирует простые команды в виде генераторов центральных паттернов (CPGs), векторов движения, внутренней модели мозжечка и соматотопических карт.

Коррекция аномалий в центральной нервной системе 
нейробиология и инженерия объединились, чтобы исследовать функции периферической и центральной нервной системы и найти клинические решения проблем, вызванных повреждением или неисправностью мозга.

Последние годы были отмечены огромным прогрессом в биомедицинских технологиях, которые могут усилить или подавить активность нервной системы с доставкой фармацевтических агентов, электрических сигналов или других видов энергетического стимула для восстановления баланса в поврежденных областях мозга. Достижения в области технологии привели к тому, что эти сигналы стали доставляться и анализироваться с повышенной чувствительностью, биосовместимостью и жизнеспособностью в замкнутых схемах петель в головном мозге. Таким образом, новые методы лечения и клинические приложения могут быть созданы для лечения тех, кто страдает от повреждения нервной системы различных видов. Нейромодуляторы были признаны полезными для коррекции дисфункции нервной системы, связанной с болезнью Паркинсона, дистонией, тремором, хронической болью, ОКР, тяжелой депрессией и в конечном итоге эпилепсией.

Нейромодуляция в последнее время привлекает внимание к лечению различных дефектов, потому что она фокусируется на лечении только высокоспецифичных областей мозга, противопоставляя их системному лечению, которое может иметь побочные эффекты на организм. Стимуляторы нейромодулятора как массивы микроэлектрода могут простимулировать так же, как записать функцию мозга с увеличенными улучшениями. Они появляются как регулируемые и отзывчивые устройства доставки для лекарств и других стимулов.

Нейронные интерфейсы и нейро протезирование 
нейронные интерфейсы включают в себя изучение нейронных систем, предназначенных для усиления или замены нейрональной функции с помощью инженерных устройств, которые могут избирательно записывать из связанных электронных схем для сбора информации о деятельности нервной системы. Они могут стимулировать определенные области для восстановления функции или ощущения этой ткани. Устройства, такие как микроэлектродные массивы, могут работать благодаря материалам, соответствующим механическим свойствам нервной ткани, в которую они помещены. Ключ лежит в управлении реакцией организма на чужеродные материалы. Клетки головного мозга становятся светочувствительными с помощью оптических нейронных интерфейсов, которые включают оптические записи и опто генетическую стимуляцию. Волоконная оптика может быть имплантирована в мозг, чтобы стимулировать и записывать эту активность фотонов вместо электродов.

Нейро протезирование подразумевает устройства, которые могут дополнять или заменять отсутствующие функции нервной системы путем стимуляции нервной системы и регистрации ее активности. Электроды могут интегрироваться с протезными устройствами и сигнализировать им, чтобы они выполняли предназначение, предназначенное передаваемым сигналом. Сенсорные протезы используют искусственные датчики, чтобы заменить нейронный вход, который может отсутствовать в биологических источниках. Перед инженерами, разрабатывающими эти устройства, стоит задача обеспечить долговременный, безопасный, искусственный интерфейс с нейрональными тканями.

Пожалуй, самым успешным из этих сенсорных протезов является кохлеарный имплантат, который восстановил слуховые способности глухих. Также разрабатывается визуальный протез для восстановления зрительных возможностей слепых людей. Моторные протезы вращаются вокруг функциональной электрической стимуляции (ФЭС) биологической нервной мышечной системы, которая может заменить механизмы контроля головного или спинного мозга. FES направлен на восстановление двигательных процессов, таких как стояние, ходьба и захват руки. Умные протезы могут заменить отсутствующие конечности путем пересадки нервов из культи ампутированного человека в мышцы. Они могут интерпретировать сигналы, а затем управлять протезной конечностью.

Интерфейс 
BCI компьютера мозга метод который устанавливает сразу сообщение с людской слабонервной системой для того чтобы контролировать и простимулировать нервные цепи, диагностировать и обработать внутренне присущую неврологическую дисфункцию. Наиболее популярным методом в этом контексте является глубокая стимуляция головного мозга (DBS), которая особенно эффективна при лечении двигательных расстройств с помощью высокочастотной стимуляции нервной ткани для подавления тремора.

Увеличение человеческих нервных систем или улучшение человека с помощью инженерных методов является очень полезным применением нейро инженерии. Было показано, что DBS улучшает память у пациентов, использующих это лечение для лечения неврологических расстройств. Он может лепить эмоции и личности, а также повысить мотивацию, уменьшить торможение пациента и т.д.

Новейшие имплантируемые устройства DBS 
Boston Scientific, американская компания, разработала системы vercise directional DBS, которые облегчают симптомы болезни Паркинсона (БП), нейродегенеративного расстройства, которое вызывает скованность мышц, медленные движения и тремор, что затрудняет выполнение повседневных задач. Терапия DBS поставляет слабую электрическую стимуляцию к специфическим зонам в мозге через implants приведенные в действие имплантируемым генератором имплантируемого импа Ульс (IPG) который сидит внутри комода.

Терапия, как правило, улучшает симптомы БП, но не замедляет или останавливает прогрессирование заболевания, что делает необходимым иметь варианты для корректировки лечения по мере обострения заболевания. Поскольку прогрессирование БП требует терапии, которая может развиваться вместе с пациентом, предоставлять решение, которое улучшает комфорт пациента и позволяет врачам легко корректировать лечение по мере изменения или прогресса симптомов пациента, Boston Scientific смоделировала свое исследование кохлеарных имплантатов, которые регенерируют слух и учат пользователей распознавать различные звуки, голоса и музыку. Его инженеры стремились создать аналогичный продукт, который будет нацелен на определенные места и производить определенные уровни стимуляции в головном мозге. Это привело к разработке систем Vercise Primary Cell (PC) и Vercise GEVIA DBS, которые облегчают контроль диапазона, формы, положения и направления электрической стимуляции.

Для того чтобы дать неврологам более лучший контроль формы и размера поля стимулирования, системы DBS Vercise дирекционные используют индивидуально контролируемые электроды на каждом руководстве, обеспечивая стимулирование способное к адаптации к изменениям импеданса внутри мозг. Эти системы охватывают следующие механические, электрические и программные аспекты, которые постоянно меняются по мере развития технологий:

Электроды-картезианские направленные выводы позволяют подавать ток в любом направлении вокруг вывода.

Программное обеспечение-технология STIMVIEW, разработанная Boston Scientific, позволяет неврологам и врачам просматривать создаваемое поле стимуляции на экране, что позволяет им легко сопоставлять форму поля стимуляции с целевой областью в головном мозге.

В рамках постоянных усовершенствований инженеры обновляют возможности устройств, которые включают в себя уменьшение размеров электроники и механической упаковки, улучшение источников питания и добавление возможностей программного обеспечения. Компьютерное моделирование и исследования in vitro обеспечивают модернизационную работу и дают эффективные результаты.

Эти приборы конструированы для того чтобы взаимодействовать наилучшим образом с тканью тела. По мере того как они продолжают хотя бы 15 лет, они способны долгосрочного biocompatibility. Инженеры предполагают, что системы станут умнее, более автономными и более естественными, как нейронный протез.

Аналогичным образом, лаборатория в Гренобле, Франция, разработала имплантируемое беспроводное устройство, которое позволяет пациентам с тетраплегией ходить и контролировать обе руки с помощью ИМК и экзоскелета. Эта технология обещает обеспечить дополнительную мобильность лицам с тяжелыми двигательными нарушениями.

Повреждение вызывает тетраплегию на спинном мозге, что мешает нервной системе контролировать все четыре конечности. Врачи, Врачи и исследователи из Clinatec, лаборатории CEA, работающей в университетской больнице Гренобля, разработали устройство для управления экзоскелетом из четырех конечностей, который записывает и декодирует сигналы мозга. Устройство-имплантат-регистрирует мозговую активность в режиме реального времени, и эти импульсы используются для приведения в движение экзоскелета.

Устройство было протестировано на пациенте с тетраплегией, который был способен ходить и управлять обеими руками с помощью нейро протеза, который записывал, передавал и декодировал сигналы мозга.

Главным нововведением из клинического исследования в рамках проекта BCI в Clinatec является способность устройства обеспечивать непрерывную запись электрической активности головного мозга с высоким разрешением, активность, связанная с движущимися намерениями, передается в режиме реального времени по беспроводной сети на компьютер для декодирования для управления движениями четырех конечностей экзоскелета. Имплантируемое медицинское устройство, называемое WIMAGINE, регистрировало электрическую активность в сенсомоторной коре головного мозга. Он был разработан для полуинвазивной имплантации в череп для записи электрокортикограмм (ЭКоГ) с помощью массива из 64 электродов, контактирующих с твердой мозговой оболочкой (мембраной, окружающей головной мозг и часть спинного мозга).

Специалисты по микроэлектронике CEA-Leti разработали электронные платы для систем сбора и оцифровки электрокортикограмм вместе с удаленным источником питания и беспроводными системами передачи данных по защищенной радиосвязи на внешнюю базовую станцию.

Оптимизируя использование экзоскелета 
имплантируемое устройство WIMAGINE собирает сигналы головного мозга в сенсомоторной коре, излучаемые, когда человек представляет себе перемещение. Пациент с тетраплегией может мысленно управлять экзоскелетом для своих движений. Это устройство является важным шагом вперед в оказании помощи людям с тяжелыми двигательными нарушениями становятся самодостаточными.

Записанные электрокортикограммы декодируются в режиме реального времени, чтобы идентифицировать преднамеренное движение, которое представляет себе пациент; декодированные передачи управляют соответствующей конечностью экзоскелета. Декодирование электрокортикограмм требует разработки высокоразвитых алгоритмов на основе искусственного интеллекта (ИИ) и машинного обучения (МЗ), а также программного обеспечения для управления перемещениями экзоскелета в режиме реального времени.

Устройство WIMAGINE также привлекло инженеров-исследователей из CEA-List, которая специализируется на интеллектуальных цифровых системах. Конструкция специально учитывала взаимодействие больного с экзоскелетом, чтобы иметь возможность безопасно его мобилизовать.

Заглядывая вперед
, новые устройства нейронной инженерии откроют двери для новых применений для использования в домашних условиях пациентами в их повседневной жизни. Инженеры по всему миру работают над интеграцией новых эффекторов, таких как инвалидная коляска, и разрабатывают даже надежные и более точные алгоритмы для выполнения более сложных движений, с надеждой на выполнение таких задач, как удержание объекта.

Долгосрочная цель биомедицинских устройств состоит в том, чтобы определить области, в которых ИМК может использоваться для создания компенсаторных систем для различных типов двигательных нарушений и предоставления пациентам большей независимости в их повседневной жизни, например, при управлении инвалидной коляской или управлении шарнирной рукой.

Вы не можете скопировать содержимое этой страницы