Нейростимуляция

редактировать
Нейростимуляция
Код OPS-301 8-631
[редактировать в Викиданных ]

Нейростимуляция is целенаправленная модуляция активности нервной системы с использованием инвазивных (например, микроэлектродов ) или неинвазивных средств (например, транскраниальной магнитной стимуляции или транскраниальной электрической стимуляция, tES, например tDCS или транскраниальная стимуляция переменным током, tACS). Нейростимуляция обычно относится к электромагнитным подходам к нейромодуляции.

Технология нейростимуляции может улучшить качество жизни тех, кто серьезно парализован или страдает от серьезных поражений различных органов чувств, а также для постоянного уменьшения сильной хронической боли, которая в противном случае потребовалась бы постоянная (круглосуточная) терапия опиоидами в высоких дозах (например, при невропатической боли и повреждении спинного мозга). Он служит ключевой частью нейронного протезирования для слуховых аппаратов, искусственного зрения, протезов и интерфейсов мозг-машина. В случае нейронной стимуляции, в основном, используется электрическая стимуляция, и применяются сбалансированные по заряду двухфазные формы волны постоянного тока или подходы с емкостной связью с инжекцией заряда. Альтернативно, транскраниальная магнитная стимуляция и транскраниальная электрическая стимуляция были предложены в качестве неинвазивных методов, в которых либо магнитное поле, либо транскраниально прикладываемые электрические токи вызывают нейростимуляцию <. 220>Содержание

  • 1 Стимуляция мозга
  • 2 Стимуляция глубокого мозга
  • 3 Неинвазивная стимуляция мозга
    • 3.1 Транскраниальная магнитная стимуляция
    • 3.2 Транскраниальная электрическая стимуляция
  • 4 Стимуляция спинного мозга
  • 5 Чрескожная стимуляция супраорбитального нерва
  • 6 Кохлеарные имплантаты
  • 7 Визуальный протез
  • 8 Устройства для электростимуляции сердца
  • 9 Стимуляционные микроэлектродные технологии
  • 10 История
  • 11 Исследования
  • 12 См. Также
  • 13 Литература

Стимуляция мозга

Стимуляция мозга имеет потенциал для лечения некоторых заболеваний, таких как эпилепсия. В этом методе запланированная стимуляция применяется к конкретным кортикальным или подкорковым целям. Существуют коммерческие устройства, которые могут подавать электрический импульс через определенные промежутки времени. Предполагается, что запланированная стимуляция изменяет внутренние нейрофизиологические свойства эпилептических сетей. Наиболее изученными мишенями для запланированной стимуляции являются переднее ядро ​​таламуса и гиппокампа. Было изучено переднее ядро ​​таламуса, которое показало значительное уменьшение припадков при включенном стимуляторе по сравнению с выключенным в течение нескольких месяцев после имплантации стимулятора. Кроме того, кластерная головная боль (CH) можно лечить с помощью временного стимулирующего электрода на клиновидно-небного ганглия (SPG). Облегчение боли достигается в течение нескольких минут после стимуляции при использовании этого метода. Чтобы избежать использования имплантированных электродов, исследователи разработали способы вписать «окно» из диоксида циркония, которое было модифицировано, чтобы стать прозрачным и имплантировано в черепа мышей, чтобы позволить оптическим волнам проникать более глубоко, как в оптогенетике, чтобы стимулировать или ингибировать отдельные нейроны.

Глубокая стимуляция мозга

Глубокая стимуляция мозга (DBS) показала преимущества при двигательных расстройствах, таких как болезнь Паркинсона, тремор и дистония и аффективные расстройства, такие как депрессия, обсессивно-компульсивное расстройство, синдром Туретта, хроническая боль и кластерная головная боль. Поскольку DBS может напрямую изменять активность мозга контролируемым образом, он используется для картирования фундаментальных механизмов функций мозга наряду с методами нейровизуализации.

Простая система DBS состоит из двух разных частей. Сначала в мозг имплантируются крошечные микроэлектроды, которые доставляют в ткани импульсы стимуляции. Во-вторых, генератор электрических импульсов (PG) генерирует импульсы стимуляции, которые он посылает на электроды через микропровода.

Применение и влияние DBS как на нормальный, так и на больной мозг включает множество параметров. К ним относятся физиологические свойства ткани мозга, которые могут изменяться в зависимости от болезненного состояния. Также важны параметры стимуляции, такие как амплитудные и временные характеристики, а также геометрическая конфигурация электрода и ткани, которая его окружает.

Несмотря на огромное количество исследований DBS, механизм его действия все еще недостаточно изучен. Разработка микроэлектродов DBS все еще остается сложной задачей.

Неинвазивная стимуляция мозга

rTMS у грызунов. Из Oscar Arias-Carrión, 2008

Транскраниальная магнитная стимуляция

По сравнению с электрической стимуляцией, которая использует кратковременный высоковольтный электрический шок для активации нейронов, которые потенциально могут активировать болевые волокна, транскраниальная магнитная стимуляция ( TMS) был разработан Baker в 1985 году. TMS использует магнитный провод над скальпом, который передает резкий и сильный импульс тока. Изменяющееся во времени магнитное поле индуцируется перпендикулярно катушке из-за приложенного импульса, который, следовательно, создает электрическое поле в соответствии с законом Максвелла. Электрическое поле обеспечивает необходимый ток для неинвазивной и гораздо менее болезненной стимуляции. Существуют два устройства TMS, называемые TMS с одним импульсом и TMS с повторяющимися импульсами (rTMS), в то время как последнее имеет больший эффект, но может вызвать судороги. ТМС может использоваться в терапии, в частности, в психиатрии, в качестве инструмента для измерения центральной моторной проводимости и исследовательского инструмента для изучения различных аспектов физиологии человеческого мозга, таких как моторная функция, зрение и язык. Метод rTMS использовался для лечения эпилепсии с частотой 8–25 Гц в течение 10 секунд. Другие терапевтические применения rTMS включают болезни паркинсона, дистонию и расстройства настроения. Кроме того, ТМС можно использовать для определения вклада корковых сетей в определенные когнитивные функции путем нарушения активности в фокальной области мозга. Ранние, неубедительные результаты были получены при выходе из комы (стойкое вегетативное состояние ) Pape et al. (2009).

Методы транскраниальной электростимуляции. В то время как tDCS использует постоянную силу тока, tRNS и tACS используют колебательный ток. Вертикальная ось представляет силу тока в миллиамперах (мА), а горизонтальная ось показывает изменение времени.

Транскраниальная электрическая стимуляция

Стимуляция спинного мозга

Стимуляция спинного мозга (SCS) является эффективным средством лечения лечение хронической и трудноизлечимой боли, включая диабетическую невропатию, синдром неудачной операции на спине, комплексный региональный болевой синдром, фантомную конечность боль, ишемическая конечность боль, рефрактерный односторонний болевой синдром в конечностях, постгерпетическая невралгия и острая опоясывающий герпес боль. Еще одно болевое состояние, которое является потенциальным кандидатом на лечение СКС, - это болезнь Шарко-Мари-Тута (ШМТ), которая связана с умеренной или сильной хронической болью в конечностях. СКС-терапия заключается в электростимуляции спинного мозга для «маскировки» боли. Теория ворот, предложенная в 1965 году Мелзаком и Уоллом, предоставила теоретическую конструкцию для попытки использования СКС в качестве клинического лечения хронической боли. Эта теория постулирует, что активация миелинизированных первичных афферентных волокон большого диаметра подавляет ответ нейронов дорсального рога на вход от небольших немиелинизированных первичных афферентов. Простая система SCS состоит из трех разных частей. Сначала в эпидуральное пространство имплантируют микроэлектроды для доставки импульсов стимуляции к ткани. Во-вторых, генератор электрических импульсов, имплантированный в нижнюю часть живота или ягодичную область, когда он подключен к электродам с помощью проводов, и в-третьих, пульт дистанционного управления для регулировки параметров стимула, таких как ширина импульса и частота пульса в PG.. Были достигнуты улучшения как в клинических аспектах SCS, таких как переход от субдурального размещения контактов к эпидуральному размещению, что снижает риск и заболеваемость имплантации SCS, так и в технических аспектах SCS, таких как улучшение чрескожных отведений и полностью имплантируемых мульти- стимуляторы каналов. Однако существует множество параметров, которые необходимо оптимизировать, включая количество имплантированных контактов, размер и расстояние контактов, а также источники электрического тока для стимуляции. Ширина импульса стимула и частота пульса являются важными параметрами, которые необходимо отрегулировать в SCS, которые обычно составляют 400 мкс и 8–200 Гц соответственно.

Чрескожная стимуляция супраорбитального нерва

Предварительные данные подтверждают чрескожное стимуляция надглазничного нерва. Побочных эффектов немного.

Кохлеарные имплантаты

Кохлеарные имплантаты

Кохлеарные имплантаты по состоянию на 2008 г. обеспечили частичный слух более чем 120 000 человек во всем мире. Электрическая стимуляция используется в кохлеарных имплантатах для обеспечивают функциональный слух у полностью глухих людей. Кохлеарные имплантаты включают в себя несколько компонентов подсистемы от внешнего речевого процессора и канала передачи радиочастоты (RF) до внутреннего приемника, стимулятора и электродов. Современные исследования кохлеарных имплантатов начались в 1960-х и 1970-х годах. В 1961 году грубое одноэлектродное устройство было имплантировано двум глухим пациентам, и было сообщено о полезном слухе с помощью электрической стимуляции. Первое полностью одноканальное устройство, одобренное FDA, было выпущено в 1984 году. В кохлеарных имплантатах звук улавливается микрофоном и передается на заушный внешний процессор для преобразования в цифровые данные. Оцифрованные данные затем модулируются радиочастотным сигналом и передаются на антенну внутри головного устройства. Носитель данных и мощности передаются через пару связанных катушек в герметичный внутренний блок. Путем извлечения мощности и демодуляции данных команды электрического тока отправляются в улитку для стимуляции слухового нерва через микроэлектроды. Ключевым моментом является то, что во внутреннем блоке нет батареи, и он должен быть в состоянии извлекать необходимую энергию. Также для уменьшения заражения данные передаются по беспроводной сети вместе с питанием. Катушки с индуктивной связью являются хорошими кандидатами для телеметрии мощности и данных, хотя радиочастотная передача может обеспечить лучшую эффективность и скорость передачи данных. Параметры, необходимые внутреннему блоку, включают амплитуду импульса, длительность импульса, интервал между импульсами, активный электрод и обратный электрод, которые используются для определения двухфазного импульса и режима стимуляции. Примером коммерческих устройств является устройство Nucleus 22, в котором использовалась несущая частота 2,5 МГц, а в более поздней версии, названной устройством Nucleus 24, несущая частота была увеличена до 5 МГц. Внутренний блок в кохлеарных имплантатах представляет собой микросхему ASIC (специализированная интегральная схема ), которая обеспечивает безопасную и надежную электростимуляцию. Внутри микросхемы ASIC есть прямой путь, обратный путь и блоки управления. Прямой канал восстанавливает цифровую информацию из радиочастотного сигнала, которая включает параметры стимуляции и некоторые биты подтверждения связи, чтобы уменьшить ошибку связи. Обратный путь обычно включает в себя пробоотборник напряжения обратной телеметрии, который считывает напряжение в течение определенного периода времени на регистрирующем электроде. Блок стимулятора отвечает за подачу заданного тока от внешнего блока к микроэлектродам. Этот блок включает эталонный ток и цифроаналоговый преобразователь для преобразования цифровых команд в аналоговый ток.

Визуальный протез

Визуальный кортикальный имплант, разработанный Мохамадом Саваном Визуальный кортикальный имплант

Теоретические и экспериментальные клинические доказательства предполагают, что прямая электрическая стимуляция сетчатки могла бы обеспечить некоторое зрение субъектам, утратившим светочувствительные элементы своей сетчатки. Поэтому разработаны визуальные протезы для восстановления зрения слепых с помощью стимуляции. В зависимости от того, какое место зрительного пути нацелено на нервную стимуляцию, были рассмотрены различные подходы. Зрительный путь состоит в основном из глаза, зрительного нерва, латерального коленчатого ядра (LGN) и зрительной коры. Следовательно, стимуляция сетчатки, зрительного нерва и зрительной коры - это три различных метода, используемых в визуальных протезах. Дегенеративные заболевания сетчатки, такие как пигментный ретинит (RP) и возрастная дегенерация желтого пятна (AMD), являются двумя вероятными заболеваниями-кандидатами, при которых может быть полезна стимуляция сетчатки. Три подхода, называемые внутриглазной эпиретинальной, субретинальной и экстраокулярной трансретинальной стимуляцией, используются в устройствах для сетчатки, которые стимулируют оставшиеся нервные клетки сетчатки в обход потерянных фоторецепторов и позволяют зрительному сигналу достигать мозга через нормальный зрительный путь. При эпиретинальном доступе электроды размещаются на верхней стороне сетчатки рядом с ганглиозными клетками, тогда как электроды размещаются под сетчаткой при субретинальном доступе. Наконец, задняя склеральная поверхность глаза - это место, в котором расположены электроды экстраокулярного доступа. Second Sight и группа Humayun в USC являются наиболее активными группами в разработке внутриглазных протезов сетчатки. Имплантат сетчатки ArgusTM 16 - это внутриглазный протез сетчатки, в котором используются технологии обработки видео. Что касается стимуляции зрительной коры, Бриндли и Добель были первыми, кто провели эксперименты и продемонстрировали, что, стимулируя верхнюю сторону зрительной коры, большинство электродов могут производить зрительное восприятие. Совсем недавно Саван построил полный имплант для внутрикортикальной стимуляции и проверил его действие на крысах.

Кардиостимулятор в сантиметрах

LGN, который расположен в среднем мозге и передает сигналы от сетчатки к зрительной коре, является другим потенциальная область, которую можно использовать для стимуляции. Но доступ к этой области ограничен из-за сложности хирургического вмешательства. Недавний успех методов глубокой стимуляции головного мозга, нацеленных на средний мозг, стимулировал исследования по применению метода стимуляции LGN для визуального протеза.

Устройства для электростимуляции сердца

Имплантируемые кардиостимуляторы были был предложен впервые в 1959 году и с тех пор стал более совершенным. Терапевтическое применение кардиостимуляторов заключается в многочисленных нарушениях ритма, включая некоторые формы тахикардии (слишком быстрое сердцебиение), сердечной недостаточности и даже инсульта.. Первые имплантируемые кардиостимуляторы работали недолго и нуждались в периодической подзарядке с помощью индуктивной связи. Этим имплантируемым кардиостимуляторам требовался генератор импульсов для стимуляции сердечных мышц с определенной частотой в дополнение к электродам. Сегодня современные генераторы импульсов программируются неинвазивным способом с помощью сложных компьютеризированных машин с использованием RF, получая информацию о состоянии пациента и устройства с помощью телеметрии. Также они используют одиночный герметичный элемент иодид лития (LiI) в качестве батареи. Схема кардиостимулятора включает усилители чувствительности для обнаружения внутренних электрических сигналов сердца, которые используются для отслеживания сердечной активности, схемы адаптации частоты, которые определяют необходимость увеличения или уменьшения частоты кардиостимуляции, микропроцессор, память для хранения параметров, управление телеметрией для связи протокол и источники питания для обеспечения регулируемого напряжения.

Технологии стимулирующих микроэлектродов

Матрица микроэлектродов Юты

Микроэлектроды являются одним из ключевых компонентов нейростимуляции, которые доставляют ток к нейронам. Типичные микроэлектроды состоят из трех основных компонентов: подложки (носителя), проводящего металлического слоя и изоляционного материала. В кохлеарных имплантатах микроэлектроды сформированы из сплава платины с иридием. Современные электроды включают более глубокое введение, чтобы лучше согласовать тонотопическое место стимуляции с полосой частот, назначенной каждому каналу электрода, повышая эффективность стимуляции и уменьшая травмы, связанные с введением. Эти электроды кохлеарного имплантата бывают прямыми или спиральными, например, микроэлектроды Med El Combi 40+ и Advanced Bionics Helix соответственно. В визуальных имплантатах существует два типа решеток электродов, называемых планарным типом или трехмерным типом иглы или столбика, где массив игольчатого типа, такой как массив Юты, в основном используется для стимуляции кортикального и зрительного нервов и редко используется в имплантатах сетчатки из-за возможного повреждения. сетчатки. Однако в экстраокулярном имплантате использовалась решетка золотых электродов в форме столбика на тонкопленочном полиимиде. С другой стороны, плоские электроды формируются из гибких полимеров, таких как силикон, полиимид и парилен в качестве кандидатов для имплантатов сетчатки. Что касается микроэлектродов DBS, то массив, которым можно управлять независимо, распределенный по ядру-мишени, позволит точно контролировать пространственное распределение стимуляции и, таким образом, позволит лучше персонализировать DBS. К микроэлектродам DBS предъявляются несколько требований, которые включают длительный срок службы без повреждения ткани или разрушения электродов, адаптированный для различных участков мозга, долговременную биосовместимость материала, механическую прочность для достижения цели без повреждения во время манипуляции хирургом-имплантологом, и, наконец, равномерность работы микроэлектродов в определенной матрице. Вольфрамовые микропровода, иридиевые микропровода и напыленные или электроосажденные микроэлектроды из платино-иридиевого сплава являются примерами микроэлектродов, используемых в DBS. Карбид кремния является потенциально интересным материалом для реализация биосовместимых полупроводниковых устройств.

История

Основные выводы о нейростимуляции возникли из идеи стимуляции нервов в терапевтических целях. Первое зарегистрированное использование электрической стимуляции для обезболивания относится к 46 году нашей эры, когда Скрибониус Ларгус использовал рыбу-торпеду (электрический луч) для облегчения головной боли. В конце 18 века Луиджи Гальвани обнаружил, что мышцы ног мертвой лягушки подергиваются при попадании постоянного тока в нервную систему. Модуляция активности мозга посредством электростимуляции моторной коры у собак была показана в 1870 году, что приводило к движению конечностей. С конца 18 века до сегодняшнего дня было разработано много вех. В настоящее время сенсорные протезы, такие как визуальные имплантаты, кохлеарные имплантаты, слуховые имплантаты среднего мозга и стимуляторы спинного мозга, а также двигательные протезы, такие как глубокие стимуляторы головного мозга, микростимуляторы Bion, интерфейс управления и чувствительности мозга и устройства электростимуляции сердца

В 2013 году британская фармацевтическая компания GlaxoSmithKline (GSK) ввела термин «электрокосевтика», чтобы в широком смысле охватить медицинские устройства, в которых используются электрические, механические или световая стимуляция для воздействия на передачу электрических сигналов в соответствующих типах тканей. Клинические нейронные имплантаты, такие как кохлеарные имплантаты для восстановления слуха, имплантаты сетчатки для восстановления зрения, стимуляторы спинного мозга для снятия боли или кардиостимуляторы и имплантируемые дефибрилляторы являются предлагаемыми примерами электрокцевтики. GSK сформировала венчурный фонд и заявила, что проведет конференцию в 2013 году, чтобы изложить программу исследований в этой области. В обзоре исследований взаимодействия нервной и иммунной систем при аутоиммунных расстройствах, опубликованном в 2016 году, вскользь и в кавычках упоминаются «электроакевтики», имея в виду разрабатываемые нейростимуляционные устройства для лечения таких состояний, как артрит.

Исследования

Помимо того, что нейростимуляция широко используется в клинических целях, она также широко используется в лабораториях, начиная с 1920-х годов такими людьми, как Дельгадо, которые использовали стимуляцию как экспериментальную манипуляцию для изучения основ работы мозга. Первичные работы были над центром вознаграждения мозга, в котором стимуляция этих структур приводила к удовольствию, которое требовало большей стимуляции. Другой недавний пример - электрическая стимуляция МТ-области первичной зрительной коры для искажения восприятия. В частности, направленность движения закономерно представлена ​​в области MT. Они представили обезьян с движущимися изображениями на экране, а пропускная способность обезьяны должна была определить направление. Они обнаружили, что, систематически вводя некоторые ошибки в реакции обезьяны, стимулируя МТ-область, отвечающую за восприятие движения в другом направлении, обезьяна реагировала где-то посередине между фактическим движением и стимулированным. Это было элегантное использование стимуляции, чтобы показать, что область МП играет важную роль в реальном восприятии движения. В поле memory стимуляция очень часто используется для проверки силы связи между одним пучком клеток с другим путем приложения небольшого тока в одной ячейке, что приводит к высвобождению нейротрансмиттеров и измерения постсинаптический потенциал.

Как правило, короткий, но высокочастотный ток в диапазоне 100 Гц помогает укрепить связь, известную как долговременная потенциация. Однако более длительный, но низкочастотный ток имеет тенденцию ослаблять связи, известные как длительная депрессия.

См. Также

Ссылки

Последняя правка сделана 2021-05-31 05:11:53
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте