Протез гиппокампа - Hippocampal prosthesis
Гиппокампе Протез представляет собой тип когнитивного протеза (протез , имплантированный в нервную систему , с тем , чтобы улучшить или заменить функцию поврежденной ткани головного мозга). Протезы заменяют нормальное функционирование поврежденной части тела; это может быть простая структурная замена (например, реконструктивная хирургия или стеклянный глаз) или элементарная функциональная замена (например, крючок или крючок). Однако к протезированию головного мозга предъявляются особые категории и требования. «Входные» протезы, такие как сетчатка или кохлеарный имплант , подают в мозг сигналы, которые пациент в конечном итоге учится интерпретировать как зрение или звук. «Выходные» протезы используют сигналы мозга для управления бионической рукой, кистью или компьютерным устройством и требуют значительного обучения, во время которого пациент учится генерировать желаемое действие с помощью своих мыслей. Оба этих типа протезирования полагаются на пластичность мозга, чтобы адаптироваться к требованиям протеза, что позволяет пользователю «научиться» использовать свою новую часть тела. Когнитивный протез или протез «мозг-мозг» не включает в себя ни усвоенных входных, ни выходных сигналов, а «собственных» сигналов, которые обычно используются той областью мозга, которая должна быть заменена (или поддержана). Таким образом, такое устройство должно быть способно полностью заменить функцию небольшого участка нервной системы, используя нормальный режим работы этого участка. Для этого разработчикам требуется глубокое понимание работы нервной системы. Объем проектирования должен включать надежную математическую модель, а также технологию для правильного изготовления и установки когнитивного протеза. Основная цель искусственного гиппокампа - излечение от болезни Альцгеймера и других проблем, связанных с гиппокампом. Для этого протез должен иметь возможность получать информацию непосредственно от головного мозга, анализировать информацию и выдавать соответствующий сигнал в кору головного мозга; другими словами, он должен вести себя как естественный гиппокамп. При этом искусственный орган должен быть полностью автономным, так как любой внешний источник питания значительно увеличит риск заражения.
Гиппокамп
Роль
Гиппокамп является частью человеческой лимбической системы , которая взаимодействует с неокортексом и другие части мозга , чтобы произвести эмоции . Как часть лимбической системы, гиппокамп играет свою роль в формировании эмоций в дополнение к другим своим ролям, таким как консолидация новых воспоминаний, навигация и пространственная ориентация. Гиппокамп отвечает за формирование долговременной памяти узнавания. Другими словами, это часть мозга, которая позволяет нам связывать лицо с именем. Из-за своей тесной связи с формированием памяти повреждение гиппокампа тесно связано с болезнью Альцгеймера .
Анатомия
Гиппокамп - это двусторонняя структура, расположенная под неокортексом . Каждый гиппокамп «состоит из нескольких различных подсистем, которые образуют замкнутую петлю обратной связи, при этом входящий сигнал из неокортекса поступает через энторинальную кору, распространяется через внутренние субрегионы гиппокампа и возвращается в неокортекс». В электронном смысле гиппокамп состоит из части параллельных цепей.
Основные требования
Биосовместимость
Поскольку протез будет постоянно имплантирован в мозг, требуется долговременная биосовместимость . Мы также должны принимать во внимание тенденцию поддержки мозговых клеток, таких как астроциты, для инкапсуляции имплантата. (Это естественная реакция мозговых клеток для защиты нейронов ), что нарушает их функцию.
Биомиметик
Будучи биомиметическими означает , что имплантат должен быть в состоянии выполнить свойства реальной биологическую нейрон . Для этого мы должны иметь глубокое понимание поведения мозга, чтобы построить прочную математическую модель, на которой мы будем опираться. Область вычислительной нейробиологии продвинулась вперед в этом направлении.
Во-первых, мы должны принять во внимание, что, как и большинство биологических процессов, поведение нейронов сильно нелинейно и зависит от многих факторов: паттернов входной частоты и т. Д. Кроме того, хорошая модель должна учитывать тот факт, что выражение одиночная нервная клетка незначительна, так как отростки осуществляются группами нейронов, взаимодействующих в сети. После установки устройство должно выполнять все (или, по крайней мере, большую часть) функции поврежденного гиппокампа в течение длительного периода времени. Во-первых, искусственные нейроны должны работать вместе в сети, как настоящие нейроны. Затем они должны иметь работающие и эффективные синаптические связи с существующими нейронами мозга; поэтому потребуется модель интерфейса кремний / нейроны.
Размер
Имплант должен быть достаточно маленьким, чтобы его можно было имплантировать, при этом минимизируя сопутствующие повреждения во время и после имплантации.
Двунаправленная связь
Чтобы полностью взять на себя функцию поврежденного гиппокампа, протез должен иметь возможность двустороннего взаимодействия с существующей тканью. Другими словами, имплант должен иметь возможность получать информацию от мозга и обеспечивать соответствующую сжимаемую обратную связь с окружающими нервными клетками.
Персонализированный
Структурные и функциональные характеристики мозга сильно различаются у разных людей; поэтому любой нейронный имплант должен быть индивидуальным для каждого человека, что требует точной модели гиппокампа и использования передовых изображений мозга для определения индивидуальных различий.
Хирургическое требование
Поскольку протез будет установлен внутри мозга, сама операция будет очень похожа на операцию по удалению опухоли. Хотя побочный ущерб будет неизбежен, воздействие на пациента будет минимальным.
Модель
«Чтобы включить нелинейную динамику биологических нейронов в модели нейронов для разработки протеза, сначала необходимо их точно измерить. Мы разработали и применили методы количественной оценки нелинейной динамики нейронов гиппокампа (Berger et al., 1988a, b, 1991, 1992, 1994; Dalal et al., 1997) с использованием принципов теории нелинейных систем (Lee and Schetzen, 1965; Krausz, 1975; PZ Marmarelis, Marmarelis, 1978; Rugh, 1981; Sclabassi et al., 1988) В этом подходе свойства нейронов оцениваются экспериментально путем применения случайной последовательности электрических импульсов в качестве входа и электрофизиологической регистрации вызванного выхода целевого нейрона во время стимуляции (рисунок 12.2A). Входная последовательность состоит из серии импульсов (до 4064), с интервалами между импульсами, изменяющимися в соответствии с процессом Пуассона, со средним значением 500 мс и диапазоном 0,2–5000 мс. Таким образом, вход является «широкополосным» и стимулирует нейрон на протяжении большей части его работы. тинг диапазон; то есть статистические свойства случайной последовательности хорошо согласуются с известными физиологическими свойствами нейронов гиппокампа. Свойства нелинейного отклика выражаются в терминах отношения между временными характеристиками прогрессивно более высокого порядка последовательности входных событий и вероятностью выхода нейронов и моделируются как ядра функционального степенного ряда ».
Задействованные технологии
Визуализация
Такие технологии, как ЭЭГ , МЭГ , фМРТ и другие технологии визуализации, необходимы для установки имплантата, которая требует высокой точности для минимизации побочного повреждения (поскольку гиппокамп расположен внутри коры головного мозга), а также надлежащего функция устройства.
Кремний / нейронный интерфейс
Интерфейс кремний / нейрон будет необходим для правильного взаимодействия кремниевых нейронов протеза и биологических нейронов мозга.
Сетевой процессор Neuron
В мозге задачи выполняются группами взаимосвязанных нейронных сетей, а не отдельной клеткой, а это означает, что любой протез должен иметь возможность имитировать это сетевое поведение. Для этого нам потребуется большое количество и плотность кремниевых нейронов для создания эффективного протеза; следовательно, потребуется процессор нейронной сети гиппокампа высокой плотности для того, чтобы протез мог выполнять задачу биологического гиппокампа. Кроме того, интерфейс нейрон / кремний будет иметь важное значение для двунаправленной связи имплантированного протеза. Выбор материала и конструкции должен обеспечивать долгосрочную жизнеспособность и биосовместимость, обеспечивая при этом плотность и специфичность соединений.
Источник питания
Подходящий источник питания по-прежнему является серьезной проблемой для любого нервного имплантата. Поскольку протезы имплантируются в мозг, не считая долговременной биосовместимости, для источника питания потребуется несколько спецификаций. Во-первых, блок питания должен заряжаться автоматически. В отличие от других протезов, инфекция представляет собой гораздо большую проблему для нервного имплантата из-за чувствительности мозга; поэтому внешний источник питания не предусмотрен. Поскольку мозг также очень чувствителен к теплу, питание и само устройство не должны выделять слишком много тепла, чтобы не нарушать работу мозга.
Протез памяти гиппокампа
Протез Нейрональных памяти Silicon Chip этого устройство , которое имитирует процесс мозга создания долгосрочных воспоминаний. Прототип этого устройства был разработан Теодором Бергером , биомедицинским инженером и неврологом из Университета Южной Калифорнии . Бергер начал работать над дизайном в начале 1990-х годов. Он сотрудничал с коллегами-исследователями, которым удалось вживить электроды крысам и обезьянам, чтобы проверить восстановление функции памяти. Недавние исследования показывают, что система может формировать долговременные воспоминания во многих различных поведенческих ситуациях. Бергер и его коллеги надеются в конечном итоге использовать эти чипы в качестве электронных имплантатов для людей, чей мозг страдает такими заболеваниями, как болезнь Альцгеймера, которые нарушают работу нейронных сетей.
Технология и медицинское применение
Чтобы начать изготовление протезов мозга, Бергер и его сотрудник Василис Мармарелис, инженер-биомедик из USC, работали с срезами гиппокампа крыс. Поскольку они знали, что нейронные сигналы перемещаются от одной стороны гиппокампа к другой, исследователи отправляли случайные импульсы в гиппокамп, записывали сигналы в определенных местах, чтобы увидеть, как они меняются, а затем вывели уравнения, представляющие изменения. Затем они запрограммировали эти уравнения в компьютерные микросхемы.
Затем они должны были определить, можно ли использовать чип в качестве протеза или имплантата для поврежденной области в гиппокампе. Для этого им нужно было выяснить, смогут ли они избежать центрального компонента пути в срезах мозга. Они поместили в область электроды, которые передавали электрические импульсы на внешний чип. Затем чип выполнил преобразования, которые обычно выполняются в гиппокампе, а другие электроды отправили сигналы обратно в срез мозга.
Коды памяти
В 1996 году доктор Сэм А. Дедвайлер из Баптистского медицинского центра Уэйк Форест в Уинстон-Салеме, Северная Каролина, изучил паттерны активности скоплений нейронов гиппокампа, в то время как крысы выполняли задание, требующее кратковременной памяти. Эти «ансамбли» или коллекции нейронов срабатывают по разным образцам как во времени, так и в «пространстве» (в данном случае пространство относится к разным нейронам, распределенным по гиппокампу) в зависимости от типа поведения, необходимого для выполнения задачи. Что еще более важно, Дедвайлер и его коллеги могли идентифицировать закономерности, которые четко различали различные стимулы в задаче, включая положение (аналогично ячейкам места), поведенческие реакции и то, какая часть задачи выполнялась. Анализ, основанный только на активности нейронного ансамбля, без учета этих переменных, может идентифицировать и даже «предсказать» некоторые из этих переменных еще до того, как они возникнут. Фактически, шаблоны даже позволили бы определить, когда крыса собиралась допустить ошибку в задаче. В течение следующих десяти лет лаборатория Дэдвайлера усовершенствовала анализ, чтобы идентифицировать `` коды '' и улучшила способность предсказывать правильные и ошибочные ответы, даже до такой степени, что у нетренированных крыс появилась возможность выполнять задачу памяти, используя стимуляцию гиппокампа с кодами, полученными из полностью обученные крысы. Открытие кодов памяти в гиппокампе побудило Дедвайлера объединить усилия с Бергером для будущих исследований, в которых команда Бергера разработала модели функции памяти в гиппокампе, а команда Дедвайлера проверила эти модели на крысах и обезьянах и в конечном итоге перешла к исследованиям на людях.
Испытания на крысах и обезьянах
Чтобы перейти к бодрствующим, ведущим себя животным, Бергер сотрудничал с Дэдвайлером и доктором Робертом Э. Хэмпсоном из Wake Forest, чтобы протестировать прототип протеза памяти, подключенного к мозгу крысы и обезьяны через электроды, чтобы анализировать информацию, как настоящий гиппокамп. Протезная модель позволила даже поврежденному гиппокампу генерировать новые воспоминания. В одной из демонстраций Дедвайлер и Хэмпсон нарушили способность крыс формировать долговременные воспоминания с помощью фармакологических агентов . Это нарушило работу нейронной схемы, которая передает сообщения между двумя субрегионами гиппокампа. Эти субрегионы, CA1 и CA3, взаимодействуют, чтобы создать долговременную память. Крысы не могли вспомнить, за какой рычаг им нужно было потянуть, чтобы получить награду. Затем исследователи разработали искусственный гиппокамп, который мог дублировать паттерн взаимодействия между взаимодействиями CA3-CA1, анализируя нейронные спайки в клетках с помощью набора электродов , а затем воспроизводя тот же паттерн на том же массиве. После стимуляции гиппокампа крысы с помощью математической модели протеза их способность определять правильный рычаг для нажатия резко улучшилась. Этот искусственный гиппокамп сыграл значительную роль на стадии развития протеза памяти, поскольку он показал, что если протезное устройство и связанные с ним электроды были имплантированы животным с неисправным гиппокампом, устройство потенциально могло бы восстановить способность памяти к у нормальных крыс.
Цели на будущее
Исследовательские группы из USC и Wake Forest работают над тем, чтобы, возможно, сделать эту систему применимой к людям, мозг которых страдает от болезни Альцгеймера , инсульта или травмы, нарушение работы нейронных сетей часто останавливает формирование долговременных воспоминаний. Система, разработанная Бергером и реализованная Дэдвайлером и Хэмпсоном, позволяет осуществлять обработку сигналов, которая могла бы происходить естественным образом в неповрежденных нейронах. В конечном итоге они надеются восстановить способность создавать долговременные воспоминания, имплантировав такие чипы в мозг.
Недавнее развитие
Теодор Бергер и его коллеги из Университета южной Калифорнии в Лос-Анджелесе разработали рабочий протез гиппокампа, который прошел испытание живой ткани в кусках ткани мозга в 2004 году. В 2011 году в сотрудничестве с Drs. Сэм А. Дедвайлер и Роберт Э. Хэмпсон из баптистского медицинского центра Уэйк Форест успешно протестировали прототип гиппокампа на бодрствующих крысах. Протез был выполнен в виде многопозиционных электродов, расположенных для записи как с входной, так и с выходной «сторон» поврежденного гиппокампа, входные данные собираются и анализируются внешними вычислительными микросхемами, вычисляется соответствующая обратная связь, которая затем используется для стимуляции соответствующего выхода. паттерн в мозгу, так что протез функционировал как настоящий гиппокамп. В 2012 году команда протестировала еще одну реализацию на префронтальной коре макак, развивая технологию нейронных протезов. В 2013 году Хэмпсон и др. успешно протестировали протез гиппокампа на приматах. Хотя устройство еще не состоит из полностью имплантируемого «чипа», эти тесты, от крысы до обезьяны, демонстрируют эффективность устройства в качестве нервного протеза и поддерживают его применение в испытаниях на людях.
Подтверждение концепции протеза гиппокампа человека
В 2018 году команда под руководством Роберта Э. Хэмпсона из Wake Forest Baptist Medical, включая Бергера и Дедвайлера, стала первой, кто продемонстрировал эффективность протезной модели на людях. Субъектам в Вейк Форест имплантировали электроды в мозг в рамках процедуры медицинской диагностики эпилепсии. Находясь в больнице, пациенты с электродами в гиппокампе вызвались выполнить задачу памяти на компьютере, в то время как нейронная активность гиппокампа регистрировалась, чтобы Бергер и его команда из команды USC могли настроить протезную модель гиппокампа для этого пациента. Имея в руках модель, команда Wake Forest смогла продемонстрировать улучшение функции памяти до 37% у пациентов с нарушениями памяти из-за болезни. Улучшение было продемонстрировано для воспоминаний до 75 минут после стимуляции протезной моделью гиппокампа. С 2018 года запланированы исследования для проверки кодов памяти на предмет дополнительных атрибутов и функций запоминаемых элементов, а также на продолжительность облегчения памяти, превышающую 24 часа.