Нейронная инженерия - Neural engineering

Чтобы узнать о других значениях, см. Нейрокибернетика .

Нейронная инженерия (также известная как нейроинженерия ) - это дисциплина в биомедицинской инженерии, которая использует инженерные методы для понимания, ремонта, замены или улучшения нейронных систем. Нейронные инженеры обладают уникальной квалификацией для решения проблем проектирования на стыке живой нервной ткани и неживых конструкций ( Hetling, 2008 ).

Обзор

Область нейронной инженерии опирается на области вычислительной нейробиологии , экспериментальной нейробиологии, клинической неврологии , электротехники и обработки сигналов живой нервной ткани и включает в себя элементы робототехники , кибернетики , компьютерной инженерии , инженерии нейронных тканей , материаловедения и нанотехнологий .

Основные цели в этой области включают восстановление и усиление функций человека посредством прямого взаимодействия между нервной системой и искусственными устройствами .

Большая часть текущих исследований сосредоточена на понимании кодирования и обработки информации в сенсорных и моторных системах, количественной оценке того, как эта обработка изменяется в патологическом состоянии, и как ею можно управлять посредством взаимодействия с искусственными устройствами, включая интерфейсы мозг-компьютер и нейропротезы .

Другие исследования больше концентрируются на исследованиях путем экспериментов, включая использование нейронных имплантатов, связанных с внешними технологиями.

Нейрогидродинамика - это раздел нейронной инженерии, который фокусируется на гидродинамике неврологической системы.

История

Поскольку нейронная инженерия - относительно новая область, информация и исследования, относящиеся к ней, сравнительно ограничены, хотя ситуация быстро меняется. Первые журналы, специально посвященные нейронной инженерии, «Журнал нейронной инженерии» и «Журнал нейроинженерии и реабилитации» появились в 2004 году. Международные конференции по нейронной инженерии проводились IEEE с 2003 года, с 29 апреля по 2 мая 2009 года в Анталии. 4-я конференция по нейронной инженерии в Турции, 5-я Международная конференция IEEE EMBS по нейронной инженерии в апреле / ​​мае 2011 г. в Канкуне , Мексика , и 6-я конференция в Сан-Диего , Калифорния, в ноябре 2013 г. 7-я конференция прошла в апреле 2015 г. в Монпелье . 8-я конференция прошла в мае 2017 года в Шанхае .

Основы

Основы нейроинженерии включают взаимосвязь нейронов, нейронных сетей и функций нервной системы с поддающимися количественной оценке моделями, чтобы помочь в разработке устройств, которые могли бы интерпретировать и контролировать сигналы и производить целенаправленные реакции.

Неврология

Сообщения, которые тело использует для воздействия на мысли, чувства, движения и выживание, направляются нервными импульсами, передаваемыми через ткани мозга и остальным частям тела. Нейроны - основная функциональная единица нервной системы и узкоспециализированные клетки, способные посылать эти сигналы, которые управляют функциями высокого и низкого уровня, необходимыми для выживания и качества жизни. Нейроны обладают особыми электрохимическими свойствами, которые позволяют им обрабатывать информацию, а затем передавать эту информацию другим клеткам. Активность нейронов зависит от потенциала нервной мембраны и изменений, происходящих вдоль и поперек нее. Постоянное напряжение, известное как мембранный потенциал , обычно поддерживается определенными концентрациями определенных ионов на мембранах нейронов. Нарушения или колебания этого напряжения создают дисбаланс или поляризацию мембраны. Деполяризация мембраны за пределы порогового потенциала порождает потенциал действия, который является основным источником передачи сигнала, известного как нейротрансмиссия нервной системы. An потенциал действия приводит к каскаду ионного потока вниз и поперек мембраны аксонов, создание эффективного напряжения шип поезда или «электрический сигнал» , который может передавать дополнительные электрические изменения в других клетках. Сигналы могут генерироваться электрическими, химическими, магнитными, оптическими и другими формами стимулов, которые влияют на поток зарядов и, следовательно, на уровни напряжения на нейронных мембранах (He 2005).

Инженерное дело

Инженеры используют количественные инструменты, которые можно использовать для понимания сложных нейронных систем и взаимодействия с ними. Методы изучения и генерации химических, электрических, магнитных и оптических сигналов, ответственных за потенциалы внеклеточного поля и синаптическую передачу в нервной ткани, помогают исследователям модулировать активность нервной системы (Babb et al. 2008). Чтобы понять свойства активности нейронной системы, инженеры используют методы обработки сигналов и компьютерное моделирование (Eliasmith & Anderson 2003). Чтобы обработать эти сигналы, нейронные инженеры должны преобразовывать напряжения на нейронных мембранах в соответствующий код - процесс, известный как нейронное кодирование. Нейронное кодирование изучает, как мозг кодирует простые команды в виде генераторов центральных паттернов (CPG), векторов движения, внутренней модели мозжечка и соматотопических карт для понимания движений и сенсорных явлений. Декодирование этих сигналов в области нейробиологии - это процесс, с помощью которого нейроны понимают передаваемые им напряжения. Преобразования включают механизмы, с помощью которых сигналы определенной формы интерпретируются, а затем переводятся в другую форму. Инженеры стремятся математически смоделировать эти преобразования (Eliasmith & Anderson 2003). Для записи этих сигналов напряжения используются различные методы. Они могут быть внутриклеточными или внеклеточными. Внеклеточные методы включают одноклеточные записи, потенциалы внеклеточного поля и амперометрию; в последнее время для записи и имитации сигналов использовались многоэлектродные массивы .

Сфера

Нейромеханика

Нейромеханика - это сочетание нейробиологии, биомеханики, ощущений и восприятия и робототехники (Edwards 2010). Исследователи используют передовые методы и модели для изучения механических свойств нервных тканей и их влияния на способность тканей выдерживать и генерировать силу и движения, а также их уязвимость к травматической нагрузке (Laplaca & Prado 2010). Эта область исследований сосредоточена на преобразовании информации между нервно-мышечными и скелетными системами для разработки функций и управляющих правил, относящихся к работе и организации этих систем (Nishikawa et al. 2007). Нейромеханику можно смоделировать, подключив вычислительные модели нейронных цепей к моделям тел животных, расположенных в виртуальных физических мирах (Edwards 2010). Экспериментальный анализ биомеханики, включая кинематику и динамику движений, процесс и паттерны моторной и сенсорной обратной связи во время процессов движения, а также схему и синаптическую организацию мозга, ответственного за моторный контроль, в настоящее время исследуются, чтобы понять сложность движений животных. . Лаборатория доктора Мишель ЛаПлака в Технологическом институте Джорджии занимается изучением механического растяжения клеточных культур, сдвиговой деформации планарных клеточных культур и сдвиговой деформации трехмерных матриц, содержащих клетки. Понимание этих процессов сопровождается разработкой моделей функционирования, способных охарактеризовать эти системы в условиях замкнутого контура со специально определенными параметрами. Изучение нейромеханики направлено на улучшение лечения физиологических проблем со здоровьем, которое включает оптимизацию конструкции протезов, восстановление движений после травм, а также проектирование мобильных роботов и управление ими. Изучая структуры в трехмерных гидрогелях, исследователи могут идентифицировать новые модели механосвойств нервных клеток. Например, LaPlaca et al. разработали новую модель, показывающую, что штамм может играть роль в культуре клеток (LaPlaca et al. 2005).

Нейромодуляция

Нейромодуляция направлена ​​на лечение заболеваний или травм с помощью технологий медицинских устройств, которые могут усиливать или подавлять активность нервной системы с помощью доставки фармацевтических агентов, электрических сигналов или других форм энергетического стимула для восстановления баланса в нарушенных областях мозга. Исследователи в этой области сталкиваются с проблемой увязки достижений в понимании нейронных сигналов с достижениями в технологиях доставки и анализа этих сигналов с повышенной чувствительностью, биосовместимостью и жизнеспособностью в схемах замкнутых контуров в мозге, чтобы можно было создавать новые методы лечения и клинические приложения для лечения тем, кто страдает нервными повреждениями различного типа. Нейромодуляторы могут исправить дисфункцию нервной системы, связанную с болезнью Паркинсона, дистонией, тремором, болезнью Туретта, хронической болью, ОКР, тяжелой депрессией и, в конечном итоге, эпилепсией. Нейромодуляция привлекательна в качестве лечения различных дефектов, потому что она направлена ​​на лечение только узкоспецифичных областей мозга, в отличие от системных методов лечения, которые могут иметь побочные эффекты на организм. Стимуляторы нейромодуляторов, такие как матрицы микроэлектродов, могут стимулировать и регистрировать функцию мозга и с дальнейшими усовершенствованиями должны стать регулируемыми и реагирующими устройствами доставки лекарств и других стимулов.

Отрастание и восстановление нервной системы

Нейронная инженерия и реабилитация применяют нейробиологию и инженерию для исследования функции периферической и центральной нервной системы и поиска клинических решений проблем, вызванных повреждением или неисправностью мозга. Инженерия, применяемая к нейрорегенерации, фокусируется на технических устройствах и материалах, которые способствуют росту нейронов для конкретных применений, таких как регенерация повреждения периферических нервов, регенерация ткани спинного мозга при повреждении спинного мозга и регенерация ткани сетчатки. Генная инженерия и тканевая инженерия - это области, в которых разрабатываются основы для восстановления спинного мозга, что помогает решать неврологические проблемы (Schmidt & Leach 2003).

Исследования и приложения

В исследованиях, посвященных нейронной инженерии, используются устройства для изучения того, как нервная система функционирует и работает со сбоями (Schmidt & Leach 2003).

Нейронная визуализация

Методы нейровизуализации используются для исследования активности нейронных сетей, а также структуры и функций мозга. Технологии нейровизуализации включают функциональную магнитно-резонансную томографию (фМРТ), магнитно-резонансную томографию (МРТ), позитронно-эмиссионную томографию (ПЭТ) и компьютерную аксиальную томографию (КТ). Функциональные нейровизуализационные исследования заинтересованы в том, какие области мозга выполняют определенные задачи. ФМРТ измеряет гемодинамическую активность, которая тесно связана с нейронной активностью. Он используется для отображения метаболических реакций в определенных областях мозга на заданную задачу или стимул. ПЭТ, КТ-сканеры и электроэнцефалография (ЭЭГ) в настоящее время совершенствуются и используются для аналогичных целей.

Нейронные сети

Ученые могут использовать экспериментальные наблюдения за нейронными системами, а также теоретические и вычислительные модели этих систем для создания нейронных сетей с надеждой на моделирование нейронных систем как можно более реалистичным образом. Нейронные сети можно использовать для анализа, чтобы помочь в разработке дополнительных нейротехнологических устройств. В частности, исследователи занимаются аналитическим моделированием или моделированием методом конечных элементов для определения контроля нервной системы за движениями и применяют эти методы, чтобы помочь пациентам с травмами или расстройствами мозга. Искусственные нейронные сети могут быть построены на основе теоретических и вычислительных моделей и реализованы на компьютерах на основе теоретических уравнений устройств или экспериментальных результатов наблюдаемого поведения нейронных систем. Модели могут представлять динамику концентрации ионов, кинетику канала, синаптическую передачу, вычисление отдельных нейронов, метаболизм кислорода или применение теории динамических систем (LaPlaca et al. 2005). Сборка шаблона на основе жидкости использовалась для создания трехмерных нейронных сетей из засеянных нейронами бусинок микроносителя.

Нейронные интерфейсы

Нейронные интерфейсы являются основным элементом, используемым для изучения нейронных систем и улучшения или замены нейронных функций с помощью инженерных устройств. Перед инженерами стоит задача разработать электроды, которые могут выборочно записывать данные из связанных электронных схем, чтобы собирать информацию об активности нервной системы и стимулировать определенные области нервной ткани для восстановления функции или ощущения этой ткани (Cullen et al. 2011). Материалы, используемые для этих устройств, должны соответствовать механическим свойствам нервной ткани, в которую они помещены, и необходимо оценить повреждения. Нейронный интерфейс включает временную регенерацию каркасов из биоматериала или хронических электродов и должен управлять реакцией организма на инородные материалы. Массивы микроэлектродов - недавние достижения, которые можно использовать для изучения нейронных сетей (Cullen & Pfister 2011). Оптические нейронные интерфейсы включают оптические записи и оптогенетическую стимуляцию, которая делает клетки мозга светочувствительными. Волоконная оптика может быть имплантирована в мозг для стимуляции и записи этой фотонной активности вместо электродов. Микроскопия с двухфотонным возбуждением может изучать живые нейронные сети и коммуникативные события между нейронами.

Интерфейсы мозг – компьютер

Интерфейсы мозг-компьютер стремятся напрямую взаимодействовать с нервной системой человека, чтобы контролировать и стимулировать нейронные цепи, а также диагностировать и лечить внутреннюю неврологическую дисфункцию. Глубокая стимуляция мозга является значительным достижением в этой области, которая особенно эффективна при лечении двигательных расстройств, таких как болезнь Паркинсона, с помощью высокочастотной стимуляции нервной ткани для подавления тремора (Lega et al. 2011).

Микросистемы

Можно разработать нейронные микросистемы для интерпретации и доставки электрических, химических, магнитных и оптических сигналов в нервную ткань. Они могут обнаруживать вариации мембранного потенциала и измерять электрические свойства, такие как популяция спайков, амплитуда или скорость, с помощью электродов или путем оценки химических концентраций, интенсивности флуоресцентного света или потенциала магнитного поля. Цель этих систем - доставлять сигналы, которые будут влиять на потенциал нейрональной ткани и, таким образом, стимулировать ткань мозга вызывать желаемый ответ (He 2005).

Матрицы микроэлектродов

Матрицы микроэлектродов - это особые инструменты, используемые для обнаружения резких изменений напряжения во внеклеточной среде, которые возникают в результате распространения потенциала действия по аксону. Д-р Марк Аллен и д-р ЛаПлака создали микроэлектродные 3D-электроды из цитосовместимых материалов, таких как полимеры SU-8 и SLA, которые привели к разработке микроэлектродных систем in vitro и in vivo с характеристиками высокой податливости и гибкости для минимизации разрушения тканей. .

Нервные протезы

Нейропротезы - это устройства, способные дополнять или заменять недостающие функции нервной системы, стимулируя нервную систему и регистрируя ее активность. Электроды, измеряющие возбуждение нервов, могут интегрироваться с протезами и сигнализировать им о выполнении функции, предусмотренной передаваемым сигналом. Сенсорные протезы используют искусственные сенсоры для замены нервных импульсов, которые могут отсутствовать из биологических источников (He 2005). Инженеры, исследующие эти устройства, обязаны обеспечить постоянный безопасный искусственный интерфейс с нейронной тканью. Пожалуй, самым успешным из этих сенсорных протезов является кохлеарный имплант, который вернул глухим слух. Визуальный протез для восстановления зрительных способностей слепых пока еще находится на более элементарных стадиях развития. Моторные протезы - это устройства, связанные с электростимуляцией биологической нервной мышечной системы, которые могут заменить механизмы управления головным или спинным мозгом. Умные протезы могут быть разработаны для замены отсутствующих конечностей, контролируемых нервными сигналами, путем трансплантации нервов от культи человека с ампутированной конечностью к мышцам. Сенсорное протезирование обеспечивает сенсорную обратную связь, преобразуя механические стимулы с периферии в закодированную информацию, доступную для нервной системы. Электроды, размещенные на коже, могут интерпретировать сигналы и затем управлять протезом конечности. Эти протезы оказались очень успешными. Функциональная электрическая стимуляция (ФЭС) - это система, направленная на восстановление двигательных процессов, таких как стояние, ходьба и хватание руками.

Нейроробототехника

Нейроробототехника - это исследование того, как нейронные системы могут быть воплощены в механических машинах и имитированы движения. Нейророботы обычно используются для изучения управления моторикой и движением , обучения и выбора памяти, а также систем ценностей и выбора действий. Изучая нейроботов в реальной среде, их легче наблюдать и оценивать, чтобы описать эвристику работы робота с точки зрения его встроенных нейронных систем и реакции этих систем на окружающую среду (Krichmar 2008). Например, с использованием компьютерной модели динамики эпилектических спайк-волн уже была доказана эффективность метода моделирования уменьшения припадков с помощью псевдоспектрального протокола. Вычислительная модель имитирует соединение мозга с помощью резонанса магнитной томографии пациента, страдающего идиопатической генерализованной эпилепсией. Метод был способен генерировать стимулы, способные уменьшить приступы.

Регенерация нервной ткани

Регенерация нервной ткани, или нейрорегенерация, направлена на восстановление функции тех нейронов, которые были повреждены в результате небольших травм и более крупных повреждений, например, вызванных черепно-мозговой травмой. Функциональное восстановление поврежденных нервов включает восстановление непрерывного пути регенерации аксонов к месту иннервации. Такие исследователи, как доктор ЛаПлака из Технологического института Джорджии, стремятся помочь найти лечение для восстановления и регенерации после черепно-мозговой травмы и травм спинного мозга , применяя стратегии тканевой инженерии. Доктор ЛаПлака изучает методы комбинирования нервных стволовых клеток с каркасом на основе белка внеклеточного матрикса для минимально инвазивной доставки в очаги неправильной формы, которые образуются после травматического повреждения. Лаборатория доктора ЛаПлаки нацелена на изучение нейронных стволовых клеток in vitro и изучение альтернативных источников клеток, разработку новых биополимеров, которые можно было бы использовать в каркасе, и исследование трансплантатов инженерных клеток или тканей in vivo на моделях травматического повреждения головного и спинного мозга. определить оптимальные стратегии регенерации нервов после травм.

Современные подходы к клиническому лечению

Сквозным хирургическим швом поврежденных нервных окончаний можно восстановить небольшие промежутки с помощью аутотрансплантатов. При более крупных травмах можно использовать трансплантат аутологичного нерва, который был взят из другого участка тела, хотя этот процесс требует много времени, затрат и требует двух операций (Schmidt & Leach 2003). Клиническое лечение ЦНС минимально доступно и в основном направлено на уменьшение побочного повреждения, вызванного костными фрагментами вблизи места повреждения или воспаления. После уменьшения отека, окружающего травму, пациенты проходят реабилитацию, чтобы оставшиеся нервы можно было тренировать, чтобы компенсировать недостаточную нервную функцию в поврежденных нервах. В настоящее время не существует лечения для восстановления нервной функции поврежденных нервов ЦНС (Schmidt & Leach 2003).

Инженерные стратегии для ремонта

Инженерные стратегии лечения травм спинного мозга направлены на создание благоприятных условий для регенерации нервов. До сих пор клинически возможно только повреждение нервов ПНС, но достижения в исследованиях генетических методов и биоматериалов демонстрируют возможность регенерации СК нервов в допустимых условиях.

Трансплантаты

Преимущества трансплантатов аутологичных тканей заключаются в том, что они происходят из натуральных материалов, которые имеют высокую вероятность биосовместимости, обеспечивая при этом структурную поддержку нервов, которые способствуют адгезии и миграции клеток (Schmidt & Leach 2003). Неавтологичная ткань, бесклеточные трансплантаты и материалы на основе внеклеточного матрикса - все это варианты, которые также могут обеспечить идеальную основу для регенерации нервов . Некоторые происходят из аллогенных или ксеногенных тканей, которые необходимо сочетать с иммунодепрессантами . в то время как другие включают трансплантаты подслизистой оболочки тонкого кишечника и амниотической ткани (Schmidt & Leach 2003). Синтетические материалы являются привлекательными вариантами, поскольку их физическими и химическими свойствами обычно можно управлять. Проблема, которая остается с синтетическими материалами, - это биосовместимость (Schmidt & Leach 2003). Было показано, что конструкции на основе метилцеллюлозы являются биосовместимым вариантом, служащим этой цели (Tate et al. 2001). AxoGen использует технологию клеточного трансплантата AVANCE, чтобы имитировать человеческий нерв. Было показано, что он способствует значительному выздоровлению у 87 процентов пациентов с повреждениями периферических нервов.

Каналы наведения нервов

Каналы наведения нервов, канал наведения нервов - это инновационные стратегии, направленные на более крупные дефекты, которые обеспечивают канал для прорастания аксонов, направляющих рост и снижающих задержку роста рубцовой ткани. Каналы для наведения нервов должны быть легко преобразованы в канал желаемых размеров, стерилизованы, устойчивы к разрыву, удобны в обращении и наложении швов (Schmidt & Leach 2003). В идеале они будут разрушаться с течением времени с регенерацией нерва, быть гибкими, полупроницаемыми, сохранять свою форму и иметь гладкую внутреннюю стенку, имитирующую стенку настоящего нерва (Schmidt & Leach 2003).

Биомолекулярная терапия

Для ускорения регенерации нервов необходимы строго контролируемые системы доставки . Нейротрофические факторы могут влиять на развитие, выживаемость, рост и ветвление. Нейротрофины включают фактор роста нервов (NGF), нейротрофический фактор головного мозга (BDNF), нейротрофин-3 (NT-3) и нейротрофин-4/5 (NT-4/5). Другие факторы цилиарный нейротрофический фактор (CNTF), фактор глиального клеточной линии , полученный рост (GDNF) и кислый и основной фактор роста фибробластов (кФРФ, bFGF) , которые способствуют ряду нервных реакций. (Schmidt & Leach 2003) фибронектин также был показано, что он поддерживает регенерацию нервов после ЧМТ у крыс (Tate et al. 2002). Другие методы лечения направлены на регенерацию нервов путем активации генов, связанных с регенерацией (RAG), нейрональных компонентов цитоскелета и факторов антиапоптоза . RAG включают GAP-43 и Cap-23, молекулы адгезии, такие как семейство L1 , NCAM и N-кадгерин (Schmidt & Leach 2003). Также существует возможность блокирования тормозных биомолекул в ЦНС из-за рубцевания глии. Некоторые из них в настоящее время изучаются - это лечение хондроитиназой ABC и блокирование NgR, ADP-рибозы (Schmidt & Leach 2003).

Методы доставки

Устройства для доставки должны быть биосовместимыми и стабильными in vivo. Некоторые примеры включают осмотические насосы, силиконовые резервуары, полимерные матрицы и микросферы. Методы генной терапии также были изучены для обеспечения длительного производства факторов роста и могут быть доставлены с помощью вирусных или невирусных векторов, таких как липоплексы. Клетки также являются эффективными средствами доставки компонентов ВКМ, нейротрофических факторов и молекул клеточной адгезии. Обонятельные клетки (OECs) и стволовые клетки, а также генетически модифицированные клетки были использованы в качестве трансплантатов для поддержки регенерации нервов (LaPlaca et al. 2005, Schmidt & Leach 2003, Tate et al. 2002).

Продвинутая терапия

Передовые методы лечения сочетают в себе сложные направляющие каналы и множественные стимулы, которые сосредоточены на внутренних структурах, имитирующих архитектуру нервов, содержащих внутренние матрицы продольно ориентированных волокон или каналов. Изготовление этих структур может использовать ряд технологий: выравнивание магнитных полимерных волокон, литье под давлением, разделение фаз, изготовление твердых тел произвольной формы и струйная печать полимеров (Schmidt & Leach 2003).

Нейронное улучшение

Расширение нейронных систем человека или улучшение человека с помощью инженерных методов - еще одно возможное применение нейроинженерии. Уже было показано, что глубокая стимуляция мозга улучшает воспроизведение памяти, что отмечают пациенты, которые в настоящее время используют это лечение при неврологических расстройствах. Постулируется, что методы стимуляции мозга способны формировать эмоции и личности, а также повышать мотивацию, уменьшать запреты и т. Д. По запросу человека. Этические проблемы, связанные с этим видом человеческого увеличения, - это новый набор вопросов, с которыми нейронные инженеры должны столкнуться по мере развития этих исследований.

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки