Войти
Нейроинженерия (также известная как нейроинженерия ) - это дисциплина в рамках биомедицинской инженерии, который использует инженерные методы для понимания, ремонта, замены или улучшения нейронных систем. Нейроинженеры обладают уникальной квалификацией для решения проблем проектирования на стыке живой нервной ткани и неживых конструкций (Hetling, 2008 ).
Область нейронной инженерии опирается на области вычислительной нейробиологии, экспериментальной нейробиологии, клинической неврологии, инженера-электрика ing и обработка сигналов живой нервной ткани и включает элементы из робототехники, кибернетики, компьютерной инженерии, инженерия нервных тканей, материаловедение и нанотехнология.
Важные цели в этой области включают восстановление и усиление функций человека посредством прямого взаимодействия между нервной системой и искусственные устройства.
Большая часть текущих исследований сосредоточена на понимании кодирования и обработки информации в сенсорных и моторных системах, количественной оценке того, как эта обработка изменяется в патологическое состояние, и то, как им можно манипулировать посредством взаимодействия с искусственными устройствами, включая интерфейсы мозг-компьютер и нейропротезы.
Другие исследования больше концентрируются на экспериментальных исследованиях, включая использование нервные имплантаты, связанные с внешней технологией.
Нейрогидродинамика - это раздел нейронной инженерии, который фокусируется на гидродинамике неврологической системы.
Поскольку нейронная инженерия является относительно новой областью, 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, Мексике и 6-я конференция в Сан-Диего, Калифорния в ноябре 2013 года. 7-я конференция прошла в апреле 2015 года в Монпелье. Восьмая конференция прошла в мае 2017 года в Шанхае.
Основы нейроинженерии включают взаимосвязь нейронов, нейронных сетей и функций нервной системы с поддающимися количественной оценке моделями, чтобы помочь в разработке устройств, которые может интерпретировать и контролировать сигналы и производить целенаправленные ответы.
Сообщения, которые тело использует для воздействия на мысли, чувства, движения и выживание, направляются нервными импульсами, передаваемыми через ткани мозга и остальным частям тела. Нейроны являются основной функциональной единицей нервной системы и представляют собой 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 пределами ее порогового потенциала генерирует потенциал действия, который является основным источником передачи сигнала, известного как нейротрансмиссия нервной системы. Потенциал действия приводит к каскаду потока ионов вниз и через аксональную мембрану, создавая эффективную серию пиков напряжения или «электрический сигнал», который может передавать дальнейшие 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).
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 через нейронные мембраны 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 движения и сенсорных явлений. Декодирование этих сигналов в области неврологии - это процесс, с помощью которого нейроны понимают передаваемые им напряжения. Преобразования включают механизмы, с помощью которых сигналы определенной формы интерпретируются и 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; совсем недавно многоэлектродные массивы использовались для записи и имитации сигналов.
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 моделировать, 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 направлена на лечение заболеваний или травм с использованием технологий медицинских устройств, которые могут усиливать или подавлять активность нервной системы с помощью доставки фармацевтических агентов, электрических сигналов или других форм энергии. стимул для восстановления баланса в пораженных участках 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, поскольку она направлена на лечение только узкоспецифических 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 функции мозга и с дальнейшими улучшениями должны стать регулируемыми и чувствительными устройствами доставки лекарств и других стимулов.
Нейронная инженерия и В реабилитации используются нейробиология и инженерия для исследования функции периферической и центральной нервной системы и поиска клинических решений проблем, вызванных повреждением или неисправностью мозга. Техника, применяемая к нейрорегенерации, фокусируется на инженерных устройствах и материалах, которые способствуют росту нейронов для конкретных приложений, таких как регенерация повреждения периферических нервов, регенерация ткани спинного мозга при повреждении спинного мозга и регенерация ткань сетчатки. Генная инженерия и тканевая инженерия - это области, в которых разрабатываются основы для возобновления роста спинного мозга, что помогает решать неврологические проблемы (Schmidt Leach 2003).
В исследованиях, посвященных нейронной инженерии, используются устройства для изучения функций и сбоев нервной системы (Schmidt Leach 2003).
Нейровизуализация Методы 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 (CAT) сканирование. Функциональные нейровизуализационные исследования заинтересованы в том, какие области мозга выполняют определенные задачи. ФМРТ измеряет гемодинамическую активность, которая тесно связана с нейронной активностью. Он исследует мозг, настраивая сканер мозга на определенную длину волны, чтобы увидеть, какая часть мозга активирована для выполнения различных задач, наблюдая, что загорается при выполнении разных действий. ПЭТ, КТ-сканеры и электроэнцефалография (ЭЭГ) в настоящее время совершенствуются и используются для аналогичных целей.
Ученые могут использовать экспериментальные наблюдения нейронных систем и 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 для помощи 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 шаблонов на основе жидкости использовалась для создания трехмерных нейронных сетей из засеянных нейронами микроносителей.
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 чувствительности 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 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 оптическую запись и оптогенетическую стимуляцию, которая делает клетки мозга светочувствительными. Волоконная оптика может быть имплантирована в мозг для стимуляции и записи этой фотонной активности вместо электродов. Двухфотонная микроскопия возбуждения может изучать живые нейронные сети и коммуникативные события между нейронами.
Интерфейсы мозга и компьютера стремятся напрямую общаться с нервной системой человека, чтобы контролировать и стимулировать нейронные цепи, а также диагностировать и лечить внутреннюю неврологическую дисфункцию. Глубокая стимуляция мозга - значительный прогресс в этой области, который особенно эффективен при лечении двигательных расстройств, таких как болезнь Паркинсона, с помощью высокочастотной стимуляции нервной ткани для подавления тремора (Lega et al. 2011).
Нейронные микросистемы могут быть разработаны 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 являются особыми инструментами используется для обнаружения резких изменений напряжения во внеклеточной среде, возникающих при распространении 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..
Нейропротезы - это устройства, способные дополнять или заменять отсутствующие 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 датчики для замены нервных сигналов, которые могут отсутствовать из биологических источников (He 2005). Инженеры, исследующие эти устройства, обязаны обеспечить постоянный безопасный искусственный интерфейс с нейронной тканью. Пожалуй, наиболее 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 разработки. представляют собой устройства, связанные с электрической стимуляцией биологической нервной мышечной системы, которые могут заменять 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. Это протезирование оказалось очень успешным. Функциональная электростимуляция (FES) - это система, направленная на восстановление двигательных процессов, таких как стояние, ходьба и хватание рук.
Neurorobotics - это исследование того, как нервная системы могут быть воплощены, а движения эмулированы в механических машинах. Нейророботы обычно используются для изучения управления двигателем и передвижения, обучения и выбора памяти, а также систем ценностей и выбора действий. Изучая нейроботов в реальных условиях, 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 вычислительной модели динамики эпилектических спайк-волн уже была доказана эффективность метода моделирования уменьшения приступов с помощью псевдоспектрального протокола. Вычислительная модель имитирует соединение мозга с помощью резонанса магнитной томографии пациента, страдающего идиопатической генерализованной эпилепсией. Метод был способен генерировать стимулы, уменьшающие приступы.
Регенерация нервной ткани или нейрорегенерация направлена на восстановление функции тех нейронов, которые были повреждены в результате небольших травм и более крупных повреждений, например, вызванных травмой головного мозга травма, повреждение. 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 травмы 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 нервных стволовых клеток in vitro и изучение альтернативных источников клеток, разработку новых биополимеров, которые можно 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.
Сквозным хирургическим швом поврежденных нервных окончаний можно восстановить небольшие промежутки с помощью аутологичных нервных трансплантатов. 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 восстановления спинного мозга сосредоточены на создании благоприятной среды 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.
Преимущества аутологичных тканевых трансплантатов заключаются в том, что они сделаны из натуральных материалов, которые имеют высокую вероятность биосовместимости, обеспечивая структурную поддержку нервов. которые стимулируют клеточную адгезию и миграцию (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 тонкой кишки подслизистой основы 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 обеспечивает значимое выздоровление у 87 процентов пациентов с повреждениями периферических нервов.
Каналы наведения нервов, Каналы наведения нервов представляют собой инновационные стратегии, ориентированные на на более крупных дефектах, которые обеспечивают канал для прорастания аксонов, направляющих рост и снижающих задержку роста рубцовой ткани. Каналы для направления нервов должны быть легко сформированы 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).
Для ускорения регенерации нервов необходимы строго контролируемые системы доставки. Нейротрофические факторы могут влиять на развитие, выживание, рост и ветвление. Нейротрофины включают фактор роста нервов (NGF), нейротрофический фактор мозга (BDNF), нейротрофин-3 (NT-3) и (NT-4/5). Другими факторами являются цилиарный нейротрофический фактор (CNTF), (GDNF) и (aFGF, bFGF), которые способствуют ряду нейронных реакций. (Schmidt Leach 2003) Также был показан фибронектин для поддержки регенерации нервов после ЧМТ у крыс (Tate et al. 2002). Другие методы лечения направлены на регенерацию нервов путем активации (RAG) нейронных компонентов цитоскелета и. 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. В настоящее время изучаются некоторые виды лечения с помощью хондроитиназы ABC и блокирования NgR, ADP-рибозы (Schmidt Leach 2003).
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 вирусными или невирусными векторами, такими как липоплексы. Клетки также являются эффективными средствами доставки компонентов внеклеточного матрикса, нейротрофических факторов и молекул клеточной адгезии. Обонятельные клетки (OECs) и стволовые клетки, а также генетически модифицированные клетки использовались в качестве трансплантатов для поддержки регенерации нервов (LaPlaca et al. 2005, Schmidt Leach 2003, Tate et al. 2002).
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. Для изготовления этих структур можно использовать ряд технологий: выравнивание волокон из магнитного полимера, литье под давлением, разделение фаз, изготовление твердых тел произвольной формы и струйная печать полимеров (Schmidt Leach 2003).
Увеличение человеческих нейронных систем или человеческое усиление с использованием технических 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, снижать запреты и т. Д. По запросу человека. Этические проблемы такого рода человеческого увеличения - это новый набор вопросов, с которыми нейронные инженеры должны бороться по мере развития этих исследований.
 | Викискладе есть медиафайлы, связанные с Нейроинженерией. |
