Войти
A Имплантат хронического электрода - это электронное устройство, которое хронически (в течение длительного периода) имплантируется в мозг или другую электрически возбудимую ткань. Он может записывать электрические импульсы в мозг или стимулировать нейроны электрическими импульсами от внешнего источника.
Пример хронического электродный имплант 
Схема хронической электродной системы «Юта» Потенциал технологии нейронного интерфейса для восстановления утраченных сенсорных или моторных функций ошеломляет; жертвы паралича из-за повреждения периферического нерва могли бы полностью выздороветь, напрямую записывая выходные данные своей моторной коры, но эта технология является незрелой и ненадежной. В литературе есть множество примеров записи внутрикортикальных электродов, используемых для различных концов, которые выходят из строя через несколько недель, в лучшем случае несколько месяцев. В этом документе будет рассмотрено текущее состояние исследований отказа электродов с упором на регистрирующие электроды, а не на стимулирующие электроды.
Хронические интерфейсы мозг-компьютер бывают двух видов: стимулирующие и записывающие. Приложения для стимуляции интерфейсов включают сенсорное протезирование (кохлеарные имплантаты, например, являются наиболее успешным вариантом сенсорного протезирования) и терапию глубокой стимуляции мозга при записи интерфейсов может использоваться для исследовательских целей и для записи активности речевых или двигательных центров непосредственно из мозга. В принципе, эти системы чувствительны к той же реакции ткани, которая вызывает отказ имплантированных электродов, но стимулирующие интерфейсы могут решить эту проблему за счет увеличения мощности сигнала. Однако регистрирующие электроды должны полагаться на любые сигналы, присутствующие там, где они имплантированы, и их нельзя легко сделать более чувствительными.
Текущие имплантируемые микроэлектроды не могут надежно регистрировать активность отдельных или нескольких единиц в хроническом масштабе. Лебедев и Николелис обсуждают в своем обзоре за 2006 год конкретные потребности в исследованиях в этой области, чтобы действительно улучшить технологию до уровня клинического внедрения. Вкратце, в их обзоре изложены четыре требования:
В этом обзоре основное внимание будет уделено методам, описанным в литературе, которые имеют отношение к достижению цели постоянных и долговременных записей. Исследования в этом направлении можно разделить на две основные категории: определение конкретных причин сбоя записи и методы предотвращения или задержки выхода из строя электродов.
Как упоминалось выше, для достижения значительного прогресса в области долгосрочной имплантации электродов важным шагом является документирование реакции живой ткани на имплантацию электродов в обоих сроки острых и хронических заболеваний. В конечном итоге именно этот тканевый ответ приводит к выходу электродов из строя за счет инкапсуляции самого электрода в защитный слой, называемый «глиальным рубцом» (см. 2.2). Одним из серьезных препятствий для понимания реакции ткани является отсутствие истинной стандартизации техники имплантации или электродных материалов. Обычные материалы для конструкции электродов или зондов включают кремний, платину, иридий, полиимид, керамику, золото, а также другие. В дополнение к разнообразию используемых материалов, электроды имеют множество различных форм, включая плоские стержни, простые однородные микропровода и зонды, которые сужаются к тонкому наконечнику от более широкого основания. При исследовании имплантируемых электродов также используется множество различных методов хирургической имплантации электродов; Наиболее важные различия заключаются в том, закреплен ли имплантат поперек черепа и в скорости введения. Общая наблюдаемая реакция ткани вызвана сочетанием травматического повреждения при введении электрода и постоянного присутствия инородного тела в нервной ткани.
Кратковременное повреждение электродов вызвано введением в ткань. Следовательно, исследования по минимизации этого сосредоточены на геометрии электрода и правильной технике введения. Кратковременные эффекты введения электродов на окружающие ткани были подробно описаны. Они включают гибель клеток (как нейронов, так и глиальных ), разорванные нейронные отростки и кровеносные сосуды, механическое сжатие ткани и сбор мусора в результате гибели клеток.
В Bjornsson et al. В исследовании 2006 года было сконструировано устройство ex vivo специально для изучения деформации и повреждения нервной ткани во время введения электрода. Электроды были сконструированы из кремниевых пластин, чтобы иметь три разных остроты (внутренний угол 5 ° для острых, 90 ° для средних, 150 ° для тупых). Скорость вставки также была представлена тремя скоростями: 2 мм / с, 0,5 мм / с и 0,125 мм / с. Качественная оценка повреждения сосудов была сделана путем получения в реальном времени изображений электродов, вставляемых в коронковые срезы головного мозга толщиной 500 мкм. Чтобы облегчить прямую визуализацию деформации сосудов, ткань перед просмотром метили флуоресцентным декстраном и микрошариками. Флуоресцентный декстран заполняет кровеносные сосуды, позволяя визуализировать исходную геометрию вместе с любыми искажениями или поломками. Флуоресцентные микрошарики размещаются по всей ткани, обеспечивая дискретные координаты, которые помогают в компьютерных расчетах деформации и деформации. Анализ изображений подсказал разделение повреждений ткани на 4 категории:
Вытеснение жидкости при введении устройства часто приводило к разрыву сосудов. Разделение и перетаскивание постоянно присутствовали на дорожке вставки, но не коррелировали с геометрией наконечника. Скорее, эти функции были связаны со скоростью вставки, будучи более распространенными при средних и медленных скоростях вставки. Единственным условием, которое не привело к повреждению сосудов, было более быстрое введение острых зондов.
При длительной имплантации в нервную ткань микроэлектроды стимулируют своего рода реакцию на инородное тело, в первую очередь вызываемую астроцитами и микроглия. Каждый тип клеток выполняет множество функций, поддерживая здоровую, неповрежденную нервную ткань, и каждый также «активируется» механизмами, связанными с повреждением, что приводит к изменениям морфологии, профиля экспрессии и функции. Также было показано, что тканевая реакция выше в ситуации, когда электроды закреплены через череп субъекта; силы привязки усугубляют повреждение, вызванное введением электрода, и поддерживают реакцию ткани.
Одна из функций, выполняемых микроглией при активации, - это группирование вокруг инородных тел и их ферментативное разложение. Было высказано предположение, что, когда инородное тело не может быть разрушено, как в случае имплантированных электродов, состав материала которых устойчив к такому ферментативному растворению, этот «фрустрированный фагоцитоз » способствует сбоям в записи, высвобождая некротические вещества в непосредственной близости и способствующие гибели клеток вокруг электрода.
Активированные астроциты образуют основной компонент инкапсулирующей ткани, которая формируется вокруг имплантированных электродов. «Современные теории утверждают, что глиальная инкапсуляция, т. Е. глиоз, изолирует электрод от соседних нейронов, тем самым препятствуя диффузии и увеличивая сопротивление, увеличивает расстояние между электродом и ближайшими к нему нейронами-мишенями или создает тормозную среду для нейритов. расширение, тем самым отталкивая регенерирующие нейронные процессы от участков записи ». Либо активированные астроциты, либо накопление клеточного мусора в результате гибели клеток вокруг электрода будет действовать, чтобы изолировать места записи от других активных нейронов. Даже очень небольшое увеличение расстояния между электродом и местной популяцией нервов может полностью изолировать электрод, поскольку для получения сигнала электроды должны находиться в пределах 100 мкм.
Другое недавнее исследование посвящено проблеме тканевой реакции. Электроды Мичиганского типа (подробные размеры см. В статье) хирургическим путем вводили в мозг взрослых самцов крыс Fischer 344; контрольную популяцию лечили теми же хирургическими процедурами, но электрод был имплантирован и немедленно удален, чтобы можно было сравнить реакцию ткани на острое повреждение и хроническое присутствие. Животных умерщвляли через 2 и 4 недели после имплантации для количественной оценки тканевого ответа с помощью методов гистологического и иммуноокрашивания. Образцы окрашивали на наличие ED1 и GFAP. Показание ED1 + указывает на присутствие макрофагов, и его наблюдали в плотно упакованной области в пределах приблизительно 50 мкм от поверхности электрода. Клетки ED1 + присутствовали как через 2, так и через 4 недели после имплантации, без существенной разницы между временными точками. Присутствие GFAP указывает на присутствие реактивных астроцитов, и его наблюдали через 2 и 4 недели после имплантации, выступая более чем на 500 мкм от поверхности электрода. Укол-контрольные образцы также показали признаки воспаления и реактивного глиоза, однако сигналы были значительно ниже по интенсивности, чем у хронических испытуемых, и заметно уменьшились с 2 недель до 4 недель. Это убедительное доказательство того, что рубцевание глии, инкапсуляция и возможная изоляция имплантированных микроэлектродов в первую очередь являются результатом хронической имплантации, а не острой травмы.
Другое недавнее исследование, посвященное влиянию хронически имплантированных электродов, указывает на то, что электроды с вольфрамовым покрытием, по-видимому, хорошо переносятся нервной тканью, вызывая небольшую и ограниченную воспалительную реакцию только в непосредственной близости от имплантата, связанную с гибель мелких клеток.
Методы борьбы с длительным отказом электродов по понятным причинам сосредоточены на обезвреживании реакции на инородное тело. Наиболее очевидно, что это может быть достигнуто за счет улучшения биосовместимости самого электрода, тем самым снижая восприятие тканями электрода как инородного вещества. В результате большая часть исследований, направленных на облегчение реакции тканей, сосредоточена на улучшении биосовместимости.
. Эффективно оценить прогресс в направлении улучшения биосовместимости электродов сложно из-за разнообразия исследований в этой области.
В этом разделе в общих чертах классифицируются различные подходы к улучшению биосовместимости, описанные в литературе. Описание исследования ограничивается кратким изложением теории и техники, а не результатами, которые подробно представлены в оригинальных публикациях. До сих пор ни один метод не дал результатов, достаточно радикальных, чтобы изменить факт реакции инкапсуляции.
Исследования, посвященные биоактивным покрытиям для облегчения реакции тканей, проводятся в основном на электродах на основе силикона. Методы включают следующее:
Еще одно исследование, посвященное улучшению биосовместимость электродов сосредоточена на функционализации поверхности электрода соответствующими белковыми последовательностями. Исследования показали, что поверхности, функционализированные последовательностями адгезивных пептидов, уменьшают подвижность клеток и поддерживают более высокие популяции нейронов. Также было показано, что пептиды могут быть выбраны для специфической поддержки роста нейронов или глии, и что пептиды могут откладываться в виде структуры, чтобы направлять рост клеток. Если популяция нейронов может расти на вставленных электродах, неисправность электродов должна быть минимизирована.
В исследовании Кеннеди подробно описывается использование электрода со стеклянным конусом, в который встроен микропровод. Микропроволока используется для записи, а конус заполняется нейротрофическими веществами или нервной тканью, чтобы способствовать росту локальных нейронов в электроде для обеспечения возможности записи. Этот подход преодолевает реакцию тканей, побуждая нейроны приближаться к записывающей поверхности.
Некоторые заметные успехи были также достигнуты в разработке механизмов доставки микрожидкостей, которые якобы могли доставлять целевые фармакологические агенты к местам имплантации электродов, чтобы облегчить реакцию тканей.
Как и в других областях, некоторые усилия явно направлены на разработку стандартизированных инструментов исследования. Цель этих инструментов - предоставить мощный и объективный способ анализа отказов хронических нейронных электродов с целью повышения надежности технологии.
Одна из таких попыток описывает разработку модели in vitro для изучения феномена тканевой реакции. Средний мозг хирургически удаляют у крыс Fischer 344 на 14-й день и выращивают в культуре для создания сливающегося слоя нейронов, микроглии и астроцитов. Этот сливной слой можно использовать для изучения реакции на инородное тело путем царапания или нанесения микропроводов электродов на монослой, фиксации культуры в определенные моменты времени после введения / повреждения и изучения реакции ткани с помощью гистологических методов.
Другой Инструмент исследования представляет собой численную модель механической границы раздела электрод-ткань. Целью этой модели является не детализация электрических или химических характеристик поверхности раздела, а механические характеристики, создаваемые адгезией электрода к ткани, силами привязки и несоответствием деформации. Эту модель можно использовать для прогнозирования сил, создаваемых на границе раздела электродов из материалов различной жесткости или геометрии.
Для исследований, требующих большого количества идентичных электродов, в литературе была продемонстрирована лабораторная методика использования силиконовая форма в качестве эталона для изготовления множественных копий из полимерных материалов через промежуточный PDMS. Это исключительно полезно для изучения материалов или для лабораторий, которым требуется большое количество электродов, но они не могут позволить себе покупать их все.
