Нейротрофты электрод - Neurotrophic electrode

A
Нейротрофиялық электрод: тефлонмен қапталған алтын сымдар шыны конустың артқы жағынан созылады, ал нейриттер (көкпен көрсетілген) ол арқылы өседі.

The нейротрофиялық электрод болып табылады ішілік құрал ми ақпаратты өңдеу үшін қолданатын электрлік сигналдарды оқуға арналған. Ол бірнеше электр өткізгіш алтын сымдарға бекітілген кішкене, қуыс шыны конустан тұрады. Термин нейротрофиялық «жүйке тіндерінің тамақтануы мен күтіміне қатысты» дегенді білдіреді және құрылғы оның атауын оның жабылғандығынан алады Матригель және жүйке өсу факторы кеңейтуді ынталандыру нейриттер оның ұшы арқылы.[1] Оны невропатолог доктор Филип Кеннеди ойлап тапқан және алғаш рет 1996 жылы нейрохирург Рой Бакай адам пациентіне сәтті салған.[2]

Фон

Даму мотивациясы

Құрбандары жабық синдром когнитивті бүтін және қоршаған ортаны біледі, бірақ ерікті бұлшықеттердің толық параличі салдарынан қозғалмайды немесе сөйлесе алмайды. Зерттеушілер бұл пациенттерге бақылаудың белгілі бір дәрежесін қайтарудың алғашқы әрекеттерінде қолданды кортикальды сигналдар алынған электроэнцефалография (EEG) тінтуір меңзерін қозғау үшін. Алайда, EEG-де тікелей кортикальды интерфейсті қолдану арқылы алуға болатын жылдамдық пен дәлдік жетіспейді.[3]

Сияқты басқа моторлы аурулары бар науқастар бүйірлік амиотрофиялық склероз және церебралды сал ауруы, сондай-ақ ауыр инсульт немесе жұлын жарақатын алғандар имплантацияланған электродтардың пайдасын көре алады. Кортикальды сигналдарды роботты аяқ-қолдарды басқару үшін қолдануға болады, сондықтан технология жетілдіріліп, процедура қаупі азаяды, тікелей интерфейс тіпті ампутацияланған адамдарға көмек көрсетуі мүмкін.[4]

Дизайнды дамыту

Доктор Кеннеди электродты жобалау кезінде оған сымсыз, биологиялық үйлесімді және созылмалы имплантациялауға қабілетті құрылғы қажет екенін білді. Резус маймылдары мен егеуқұйрықтарымен жүргізілген алғашқы зерттеулер нейротрофиялық электродтың 14 айға созылмалы имплантациялауға қабілетті екенін көрсетті (адамның сынақтары кейінірек беріктігін орнықтырады).[5] Бұл ұзақ өмір зерттеу үшін өте маңызды болды, өйткені маймылдар тапсырманы орындауға дайындалып жатқанда, тапсырманы білген кезде үнсіз тұрған нейрондар атыла бастады, бұл құбылыс электрод ұзақ мерзімді имплантациялауға қабілетті болмаса байқалмайтын еді.[1]

Компоненттер

Шыны конус

Шыны конустың ұзындығы тек 1-2 мм, және толтырылған трофикалық факторлар аксондар мен дендриттердің ұшымен және қуыс денемен өсуіне ықпал ету үшін. Қашан нейриттер конустың артқы жағына жету керек, олар қайтадан қосылады нейропил сол жағында, ол шыны конусты орнына бекітеді. Нәтижесінде ұзақ мерзімді тұрақты және берік жазбаға қол жеткізуге болады.[6] Конус ұшымен бірге кортекстің бес қабатына жақын орналасқан кортикальды-жұлын жолдары жасуша денелерінен тұрады және тереңдігінен 5 немесе 6 мм тереңдіктен 45 ° бұрышпен енгізіледі.[7]

Алтын сымдар

Үш-төрт алтын сымдар шыны конустың ішкі жағына жабыстырылып, артқы жағынан шығып тұрады. Олар конус арқылы өскен аксондардың электрлік белсенділігін жазады және оқшауланған Тефлон. Сымдар шиеленісті жеңілдету үшін ширатылады, өйткені олар бір жағында кортекске еніп, екінші жағынан бас сүйегінің ішкі жағына бекітілген күшейткіштерге бекітіледі. Әр күшейткішке екі сым қосылады дифференциалды сигнал беру.[7]

Сымсыз таратқыш

Нейротрофиялық электродтың ең жақсы күштерінің бірі - оның сымсыз байланыс қабілеттілігі, өйткені трансдермальді сымдарсыз инфекция қаупі айтарлықтай төмендейді. Нейрондық сигналдарды электродтар жинайтындықтан, олар алтын сымдармен жоғары көтеріліп, краниум арқылы өтіп, олар био күшейткіштер (әдетте жүзеге асырады дифференциалды күшейткіштер ). Күшейтілген сигналдар қосқыш арқылы жіберіледі таратқыш, онда олар FM сигналдарына айналады және антеннамен таратылады. Күшейткіштер мен таратқыштар 1 МГц-тен қуат алады индукция деген сигнал түзетілді және сүзгіден өтті. Антенна, күшейткіштер, аналогтық қосқыштар және FM таратқыштары стандартта қамтылған баспа платасы бұл бас терісінің астында орналасқан. Барлық ансамбль қорғаныс гельдерімен қапталған, Парилен, Elvax және Силастикалық, оны биоүйлесімді ету және электрониканы сұйықтықтан қорғау.[7]

Деректерді жинау жүйесі

Пациенттің басының сыртқы жағында тиісті индукциялық катушка және оны жіберетін антенна тұрады FM сигналы дейін қабылдағыш. Бұл құрылғылар суда еритін пастамен уақытша ұсталады. Ресивер сигналды демодуляциялайды және оны компьютерге жібереді масақты сұрыптау және деректерді жазу.[7]

Ассамблея

Нейротрофиялық электродтың көп бөлігі қолмен жасалады. Алтын сымдарды дұрыс ұзындыққа кесіп, ширатады, содан кейін имплантация тереңдігін шектеу үшін конустың жанасу нүктесінен 45 ° бұрышқа бүгеді. Сымдар бас сүйегінен өтетін жерде тағы бір қарама-қарсы бағыттағы иілу қосылады. Кеңестер тефлон жабындысынан тазартылады, ал конустың ең алыс жерлері дәнекерленеді, содан кейін компоненттік коннекторға стоматологиялық акрилмен тығыздалады. Шыны конус шыны таяқшаны қыздыру және нүктеге тарту арқылы жасалады, содан кейін ұшын қажетті ұзындықта кеседі. Екінші ұшы тікелей кесу емес, керісінше алтын сымдарды бекітуге болатын сөрені қамтамасыз ету үшін бұрышпен ойылған. Содан кейін сымдар сөреге қойылады және а метилметакрилат гель желімі бірнеше қабатта қолданылады, өткізгіш ұштарын жабудан сақтаныңыз. Ақыр соңында, құрылғы көмегімен зарарсыздандырылады глутаральдегид газ төмен температурада және газдалған.[7]

Іске асыру

Компьютер жүгіргіні басқару

Доктор Кеннедидің науқастарының бірі Джонни Рэй компьютерлік курсорды нейротрофиялық электродпен басқаруды үйрене алды. Құрылғыдан шыққан үш нақты жүйке сигналдары х осі, у осі бойымен меңзердің қозғалысымен және сәйкесінше «таңдау» функциясымен байланысты болды. Берілген бағыттағы қозғалыс байланысты каналға нейрондардың ату жылдамдығының жоғарылауынан туындады.[3]

Сөйлеу синтезі

Доктор Кеннедидің басқа пациенттерінен алынған жүйке сигналдары нақты уақытта сөйлеу синтезаторы арқылы дауысты дыбыстарды тұжырымдау үшін қолданылған. Электрондық қондырғы курсор үшін қолданылғанға өте ұқсас болды, оған пост-қабылдағыш нейрондық декодер және синтезатордың өзі қосылды. Зерттеушілер электродты моторлы қабық аймағына сөйлеу артикуляторларының қозғалысымен байланысты имплантациялады, өйткені хирургия алдындағы операция фМРТ сканерлеу суретті атау тапсырмасы кезінде жоғары белсенділікті көрсетті. Нейрондық күйдіруден синтезатордың шығуына дейінгі орташа кідіріс 50 мс құрады, бұл бұзылмаған биологиялық жолдың кешігуімен бірдей.[8]

Басқа жазба әдістерімен салыстыру

Нейротрофиялық электрод, жоғарыда сипатталғандай, сымсыз байланыс құралы болып табылады және өз сигналдарын транскутанттық жолмен береді. Сонымен қатар, бұл пациенттің төрт жылдан астам өмір сүруін көрсетті, өйткені кез-келген компонент толық болып табылады биологиялық үйлесімді. Ол бере алатын ақпарат көлемімен шектелген, себебі оның сигналын беру үшін қолданатын электроника адамның бас сүйегіне тек төртеуі сыйып кететін кеңістікті қажет етеді.[2]

Сонымен қатар Юта массиві қазіргі уақытта сымды құрылғы болып табылады, бірақ қосымша ақпаратты жібереді. Ол адамға екі жылдан астам уақыттан бері отырғызылған және 100 өткізгіш кремний ине тәрізді электродтардан тұрады, сондықтан ол жоғары ажыратымдылыққа ие және көптеген жеке нейрондардан жазып алады.[9]

Бір тәжірибеде доктор Кеннеди нейротрофиялық электродты оқуға бейімдеді жергілікті өріс әлеуеті (LFPs). Ол олардың көмекші технология құрылғыларын басқаруға қабілетті екенін көрсетіп, оқшауланған науқастардың функционалдығын қалпына келтіру үшін аз инвазивті әдістерді қолдануға болатындығын болжады. Алайда, зерттеу LFP-мен мүмкін болатын бақылау дәрежесін қарастырмады немесе LFP-мен бірыңғай бірліктің әрекеті арасында ресми салыстыру жүргізбеді.[10]

Электроэнцефалография (EEG) пациенттің бас терісіне көптеген беттік электродтарды орналастыруды қамтиды, ондаған мыңнан миллиондаған нейрондардың жиынтық белсенділігі жазылады. EEG-ді ұзақ мерзімді пайдалану мүмкіндігі бар ми-компьютер интерфейсі, өйткені электродтарды бас терісіне шексіз ұстауға болады. Уақытша және кеңістіктегі қарарлар мен EEG шуының коэффициенті әрдайым салыстырмалы интракортикальды құрылғылардан артта қалып келген, бірақ хирургиялық араласуды қажет етпейтін артықшылығы бар.[9]

Электрокортикография (ECoG) мидың бетіне тікелей орналастырылған электродтар парағымен жүздеген-мыңдаған нейрондардың жинақталған белсенділігін жазады. Операцияны қажет етпейтін және төмен ажыратымдылыққа ие, ECoG құрылғысы сымды, яғни бас терісін толығымен жабуға болмайды, бұл инфекция қаупін арттырады. Алайда, ECoG-ді зерттейтін зерттеушілер тор «ұзақ имплантациялауға жарамды сипаттамаларға ие» деп мәлімдейді.[9]

Кемшіліктер

Іске қосудың кешігуі

Имплантациядан кейін бірден нейротрофиялық электрод белсенді болмайды, өйткені құрылғы электр сигналдарын қабылдамас бұрын аксондар конусқа өсуі керек. Зерттеулер көрсеткендей, тіндердің өсуі процедурадан кейін бір айдың ішінде-ақ аяқталады, бірақ оны тұрақтандыру үшін төрт ай қажет.[1]

Хирургиялық қатерлер

Имплантация кезінде пайда болатын қауіп-қатерлерге ми хирургиясымен байланысты қауіптер жатады, атап айтқанда қан кету, инфекция, ұстамалар, инсульт және мидың зақымдануы. Технология осы тәуекелдер айтарлықтай азайтылатын деңгейге жеткенше, процедура экстремалды немесе эксперименттік жағдайларда сақталады.[2]

Құрылғы ақаулы

Джонни Рэй 1998 жылы имплантацияланған кезде, нейротрофиялық электродтардың бірі нейропилге бекітілгеннен кейін үзілісті сигнал бере бастады, нәтижесінде доктор Кеннеди қалған құрылғыларға сенуге мәжбүр болды.[3] Сондықтан, хирургиялық араласудан асқыну болмаса да, электрониканың істен шығуы мүмкін. Сонымен қатар, имплантанттардың өздері бас сүйегіне салынған болса, сондықтан физикалық зақымданудан айтарлықтай қауіпсіз болса, бас сүйектің сыртындағы электроника осал болып табылады. Доктор Кеннедидің екі пациенті спазм кезінде кездейсоқ зақым келтірді, бірақ екі жағдайда да тек сыртқы құрылғыларды ауыстыру қажет болды.[7]

Болашақ қосымшалар

Нейропротездеу

2010 жылдың қараша айынан бастап доктор Кеннеди электродтың сөйлеу синтезін қолдану бойынша жұмыс істеп жатыр, бірақ оның қолданылуын көптеген әр түрлі бағыттарға кеңейту жоспарлары бар, олардың бірі қозғалысты қалпына келтіреді нейропростетика.[2]

Үнсіз сөйлеу

Тыныш сөйлеу - бұл мүгедектерге көмек ретінде немесе қажет тыныштықта немесе жоғары фондық шу кезінде сөйлесу үшін қолданылатын «түсінікті акустикалық сигнал болмаған кезде сөйлеуді өңдеу». Нейротрофиялық электродты және жалпы мидың компьютерлік интерфейстерін болашақта қолданудың бірі - «сөйлеушінің» жүйке сигналдарын декодтау және аудио шығуды мақсатты тыңдаушы тағатын құлаққапқа беру арқылы үнсіз сөйлеуді қосу. Инвазивті және инвазивті емес интерфейстердің стандартты артықшылықтары мен кемшіліктері қолданылады.[11] Алайда, бұл нақты қолдану үшін нейротрофиялық электродтың артықшылығы бар, өйткені ол мүгедек пациенттермен байланысты қалпына келтіру үшін тиімді болып шықты.[8]

Әдебиеттер тізімі

  1. ^ а б в Kennedy, P. R., & Bakay, R. A. E. (1997). Тапсырмаларды ұзақ мерзімді оқыту кезінде маймылдардың қозғалтқыш кортексіндегі бірыңғай әрекет потенциалдарының белсенділігі Миды зерттеу, 760 (1-2), 251-254.
  2. ^ а б в г. Доктор Кеннедимен сұхбат, аға ғылыми қызметкер, Neural Signals, Inc., 30.09.2010 ж
  3. ^ а б в Кеннеди, П.Р., Бакай, Р.А., Мур, М.М., Адамс, К., & Голдвайт, Дж. (2000). Компьютерді адамның орталық жүйке жүйесінен тікелей басқару. [Мақала] IEEE операциялары, қалпына келтіру инженериясы, 8 (2), 198-202.
  4. ^ Лебедев, М.А. және Николлис, М.А.Л (2006). Ми-машина интерфейстері: өткен, қазіргі және болашақ. [Шолу]. Неврология ғылымдарының тенденциялары, 29 (9), 536-546.
  5. ^ Kennedy, P. R., Mirra, S. S., & Bakay, R. A. E. (1992). КОНУС ЭЛЕКТРОДЫ - ҰЛЫ ҚҰРЫЛЫМДЫҚ ЗЕРТТЕУЛЕР, ЕРІКШІЛЕР МЕН МЕЙІМІНДІҢ КОРТЕКСІНДЕ ҰЗАҚ МЕРЗІМДІ ЖАЗЫП АЛУ. [Мақала] Неврология хаттары, 142 (1), 89-94.
  6. ^ Кеннеди, П.Р (1989). КОНУ ЭЛЕКТРОДЫ - НЕУРЕТТЕРДІҢ ЖАЗУ БЕТІНЕ ДЕ ӨСІП ӨТКЕН ҰЗАҚ МЕРЗІМДІ ЭЛЕКТРОД. [Мақала] Неврология ғылымдарының журналы, 29 (3), 181-193.
  7. ^ а б в г. e f Бартельс, Дж., Андреасен, Д., Эхирим, П., Мао, Х., Зайберт, С., Райт, Э. Дж., Т.б. (2008). Нейротрофиялық электрод: құрастыру және адамның моторлы сөйлеу қабығына имплантациялау әдісі. [Мақала] Неврология ғылымдарының журналы, 174 (2), 168-176.
  8. ^ а б Гюнтер, Ф.Х., Брумберг, Дж. С., Райт, Э. Дж., Ньето-Кастанон, А., Турвилл, Дж. А., Панко, М., т.б. (2009). Нақты уақыттағы сөйлеу синтезіне арналған сымсыз ми-машиналық интерфейс. PLOS ONE, 4 (12).
  9. ^ а б в Brumberg, J. S., Nieto-Castanon, A., Kennedy, P. R., & Guenther, F. H. (2010). Сөйлеу коммуникациясына арналған ми-компьютерлік интерфейстер. Сөйлеу байланысы, 52 (4), 367-379.
  10. ^ Кеннеди, П.Р., Кирби, М.Т., Мур, М.М., Кинг, Б., & Мэллори, А. (2004). Адамның ішілік ішкі өріс әлеуетін қолдана отырып, компьютерлік басқару. [Мақала] IEEE транзакциялары жүйке жүйелері және қалпына келтіру инженериясы, 12 (3), 339-344.
  11. ^ Денби, Б., Шульц, Т., Хонда, К., Хюбер, Т., Гилберт, Дж., & Брумберг, Дж. (2010). Үнсіз сөйлеу интерфейстері. [Мақала] Сөйлеу байланысы, 52 (4), 270-287.