Протез гиппокампа - Hippocampal prosthesis

А протез гиппокампа это тип когнитивный протез (протез, имплантированный в нервную систему с целью улучшения или замены функции поврежденной мозговой ткани). Протезы заменяют нормальное функционирование поврежденной части тела; это может быть просто 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. «Входное» протезирование, такое как сетчатка или кохлеарный имплант доставляют в мозг сигналы, которые пациент со временем учится интерпретировать как зрение или звук. "Выходные" протезы используют сигналы мозга для управления бионический рука, рука или компьютерное устройство и требуют значительного обучения, в ходе 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» пользоваться своей новой частью тела. Когнитивный протез, или протез «мозг-мозг» не включает в себя ни усвоенных входных, ни выходных сигналов, а включает в себя собственные сигналы, 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 необходимо 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 из головного мозга, анализировать информацию и передавать 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

В гиппокамп является частью человека лимбическая система, который взаимодействует с неокортексом и другими частями мозга, производя эмоции.[1] 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.[2] 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 Болезнь Альцгеймера.

Анатомия

Для получения дополнительной анатомической информации см. Анатомия гиппокампа.

Гиппокамп - это двусторонний сооружение, расположенное под неокортекс. Каждый гиппокамп «состоит из нескольких различных подсистем, которые образуют замкнутую петлю обратной связи, при этом входной 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, в долгосрочной перспективе биосовместимость требуется. Мы также должны учитывать тенденцию к поддержке мозговых клеток, таких как астроциты для инкапсуляции имплантата. (Это естественная реакция мозговых клеток, чтобы защитить нейроны ), что ухудшает его функцию.[3]

Биомиметик

Быть биомиметик означает, что имплант должен обладать свойствами настоящего биологического нейрон. Для этого мы должны иметь глубокое понимание поведения мозга, чтобы построить прочную математическую модель, на которой она будет основана. Поле вычислительная нейробиология добилась прогресса в этом стремлении.

Во-первых, мы должны принять во внимание, что, как и большинство биологических процессов, поведение нейронов сильно зависит от нелинейный и зависят от многих факторов: входных частотных паттернов и т. д. Кроме того, хорошая модель должна учитывать тот факт, что экспрессия отдельной нервной клетки незначительна, поскольку процессы осуществляются группами нейронов, взаимодействующих в сети.[4] 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 уметь работать вместе в сеть прямо 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.[4]

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 расширенных 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.[5]

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) При таком 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. дальность действия; то есть статистические свойства случайной последовательности хорошо согласуются с известными физиологическими свойствами нейронов гиппокампа. Свойства нелинейного отклика выражаются в терминах отношения между временными свойствами прогрессивно более высокого порядка последовательности входных событий и вероятностью выхода нейронов, и моделируются как ядра функционального степенного ряда ».[4]

Задействованные технологии

Изображения

Такие технологии как ЭЭГ, МЭГ, фМРТ и другие типы технологий визуализации необходимы для установки имплантата, которая требует высокой точности для минимизации побочного повреждения (поскольку гиппокамп расположен внутри коры головного мозга), а также для правильного функционирования 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; поэтому Процессор нейронной сети гиппокампа высокой плотности потребуется для того, чтобы протез выполнял задачу биологического гиппокампа. Кроме того, интерфейс нейрон / кремний будет иметь важное значение для двунаправленной связи имплантированного протеза. Выбор материала и конструкции должен гарантировать долгосрочную жизнеспособность и биосовместимость, обеспечивая при этом плотность и специфичность соединений.[4]

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

А протезный силиконовый чип Neuronal Memory это устройство, которое имитирует процесс создания мозгом долговременных воспоминаний. Прототип этого устройства был разработан Теодор Бергер, биомедицинский инженер и невролог в Университет Южной Калифорнии. Бергер начал работать над дизайном в начале 1990-х годов. Он сотрудничал с коллегами-исследователями, которым удалось имплантировать электроды на крыс и обезьян, 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 головного мозга, Бергер и его сотрудник Василис Мармарелис, инженер-биомедик из USC, работали с гиппокамп дольки 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 задачу, требующую кратковременной памяти. Эти «ансамбли» или совокупности нейронов запускаются 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 «предсказывать» некоторые из этих переменных еще до того, как они возникнут.[6] Фактически, шаблоны даже позволили бы определить, когда крыса собиралась допустить ошибку в задаче.[7] В течение следующих десяти лет лаборатория Дедвайлера усовершенствовала анализ, чтобы идентифицировать `` коды '' и улучшила способность предсказывать правильные и ошибочные ответы, даже до такой степени, что у необученных крыс появилась возможность выполнять задачу памяти с использованием стимуляции гиппокампа с кодами, полученными из полностью обученные крысы.[8] Открытие кодов памяти в гиппокампе побудило Дедвайлера объединить усилия с Бергером для будущих исследований, в которых команда Бергера разработает модели функции памяти в гиппокампе, а команда Дедвайлера будет тестировать модели на крысах и обезьянах и в конечном итоге перейти к исследованиям на людях.

Испытания на крысах и обезьянах

Чтобы перейти к бодрствованию и поведению животных, Бергер сотрудничал с Дедвайлером и доктором. Роберт Э. Хэмпсон из Wake Forest, чтобы протестировать прототип протеза памяти, подключенного к мозгу крысы и обезьяны через электроды, чтобы анализировать информацию так же, как и настоящий гиппокамп. Протезная модель позволила даже поврежденному гиппокампу генерировать новые воспоминания. В одной из демонстраций Дэдвайлер и Хэмпсон ослабили способность крыс формировать долговременные воспоминания, используя фармакологические агенты. Это нарушило работу нейронной схемы, которая передает сообщения между двумя подобластями гиппокампа. Эти субрегионы, CA1 и CA3, взаимодействуют для создания долговременных воспоминаний. Крысы не могли вспомнить, за какой рычаг им нужно было потянуть, чтобы получить награду. Затем исследователи разработали искусственный гиппокамп, который может дублировать паттерн взаимодействия между взаимодействиями CA3-CA1, анализируя нейронные спайки в клетках с электродная решетка, а затем воспроизвести тот же паттерн в 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 этапе 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 у нормальных крыс.[9]

Цели на будущее

Исследовательские группы из USC и Wake Forest работают над тем, чтобы, возможно, сделать эту систему применимой к людям, чей мозг страдает от повреждений. Болезнь Альцгеймера, Инсульт или травма, нарушение работы нейронных сетей часто останавливает формирование долговременных воспоминаний. Система, разработанная Бергером и реализованная Дэдвайлером и Хэмпсоном, позволяет осуществлять обработку сигналов, которая естественным образом происходила бы в неповрежденных нейронах. В конечном итоге они надеются восстановить способность создавать долговременные воспоминания, имплантировав такие чипы в мозг.[10]

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.[11] В 2011 году в сотрудничестве с Drs. Сэм А. Дедвайлер и Роберт Э. Хэмпсон в Баптистском медицинском центре Уэйк Форест успешно протестировали проверенный концепцией протез гиппокампа на бодрствующих крысах.[12] Протез был выполнен в виде многосайтовых 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.[13] В 2012 году команда протестировала еще одну реализацию на префронтальной коре макак,[14] дальнейшее развитие технологии нейронных протезов. В 2013 году Хэмпсон и др. успешно протестировали протез гиппокампа на приматах.[15] 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.[16]

Подтверждение концепции протеза гиппокампа человека

В 2018 году команда под руководством Роберт Э. Хэмпсон в Wake Forest Baptist Medical, включая Бергера и Дедвайлера, стали первыми, кто продемонстрировал эффективность модели протеза 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 модель протеза гиппокампа для этого пациента. Имея модель в руках, команда Wake Forest смогла продемонстрировать улучшение функции памяти до 37% у пациентов с нарушениями памяти в результате болезни. Улучшение было продемонстрировано в отношении воспоминаний до 75 минут после стимуляции протезной моделью гиппокампа.[17] С 2018 года запланированы исследования для проверки кодов памяти для дополнительных атрибутов и функций запоминаемых элементов, а также продолжительности облегчения памяти, превышающей 24 часа.

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ Кэмпбелл Н.А. Биология (Издание Éditions du Renouveau Pédagogique Incs). п. 114.
  2. ^ Бейли Р. «Гиппокамп и память». ThoughtCo.
  3. ^ Сеймур Дж. П., Кипке Д. Р. (сентябрь 2007 г.). «Дизайн нейронного зонда для уменьшения инкапсуляции ткани в ЦНС». Биоматериалы. 28 (25): 3594–607. Дои:10.1016 / j.biomaterials.2007.03.024. PMID  17517431.
  4. ^ а б c d Бергер Т.В., Бринтон Р.Д., Мармарелис В.З., Шеу Б.Дж., Тангуай А.Р. (2005). «Имплантируемая в мозг биомиметическая электроника в качестве нервного протеза для функции памяти гиппокампа».. На пути к замене головного мозга: имплантируемая биомиметическая электроника в виде нейронных протезов. Кембридж: MIT Press. ISBN  978-0-262-02577-5.
  5. ^ Rowe DG (12 марта 2003 г.). «Обнародован первый в мире мозговой протез». Новый ученый.
  6. ^ Deadwyler SA, Bunn T, Hampson RE (январь 1996 г.). «Активность ансамбля гиппокампа во время пространственного отсроченного несоответствия с образцом у крыс». Журнал неврологии. 16 (1): 354–72. Дои:10.1523 / JNEUROSCI.16-01-00354.1996. ЧВК  6578714. PMID  8613802.
  7. ^ Hampson RE, Deadwyler SA (ноябрь 1996 г.). «Ансамблевые коды, включающие нейроны гиппокампа, подвергаются риску во время отложенных тестов производительности». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 93 (24): 13487–93. Bibcode:1996PNAS ... 9313487H. Дои:10.1073 / пнас.93.24.13487. ЧВК  33635. PMID  8942961.
  8. ^ Deadwyler SA, Berger TW, Sweatt AJ, Song D, Chan RH, Opris I, Gerhardt GA, Marmarelis VZ, Hampson RE (2013). «Улучшение памяти донора / реципиента в гиппокампе крысы». Границы системной нейробиологии. 7: 120. Дои:10.3389 / fnsys.2013.00120. ЧВК  3872745. PMID  24421759.
  9. ^ Анжелика А (17 июня 2013 г.). «Электронная система гиппокампа включает и выключает долговременную память, улучшает познавательные способности». Курцвейл А.И..
  10. ^ Коэн Дж (23 апреля 2013 г.). «Имплантаты памяти». Обзор технологий MIT.
  11. ^ Филлипс Х (25 октября 2004 г.). «Мозговой протез прошел тест на живую ткань». Новый ученый.
  12. ^ Berger TW, Hampson RE, Song D, Goonawardena A, Marmarelis VZ, Deadwyler SA (август 2011 г.). «Кортикальный нервный протез для восстановления и улучшения памяти». Журнал нейронной инженерии. 8 (4): 046017. Bibcode:2011JNEng ... 8d6017B. Дои:10.1088/1741-2560/8/4/046017. ЧВК  3141091. PMID  21677369.
  13. ^ Локлир Ф (12 марта 2003 г.). «Гиппокамп на чипе». Ars Technica.
  14. ^ Hampson RE, Gerhardt GA, Marmarelis V, Song D, Opris I, Santos L, Berger TW, Deadwyler SA (октябрь 2012 г.). «Облегчение и восстановление когнитивной функции в префронтальной коре приматов с помощью нейропротеза, который использует нейронное возбуждение, специфичное для мини-колонки». Журнал нейронной инженерии. 9 (5): 056012. Bibcode:2012JNEng ... 9e6012H. Дои:10.1088/1741-2560/9/5/056012. ЧВК  3505670. PMID  22976769.
  15. ^ Hampson RE, Song D, Opris I, Santos LM, Shin DC, Gerhardt GA, Marmarelis VZ, Berger TW, Deadwyler SA (декабрь 2013 г.). «Облегчение кодирования памяти в гиппокампе приматов с помощью нейропротеза, который способствует возбуждению нервных импульсов при выполнении конкретных задач». Журнал нейронной инженерии. 10 (6): 066013. Bibcode:2013JNEng..10f6013H. Дои:10.1088/1741-2560/10/6/066013. ЧВК  3919468. PMID  24216292.
  16. ^ Эйси М. (8 мая 2013 г.). «Мозговые имплантаты: восстановление памяти с помощью микрочипа». CNN.
  17. ^ Хэмпсон Р. Э., Сонг Д., Робинсон Б. С., Феттерхофф Д., Дакос А. С., Родер Б. М. и др. (Июнь 2018). «Разработка нейронного протеза гиппокампа для облегчения кодирования и запоминания человеческой памяти». Журнал нейронной инженерии. 15 (3): 036014. Bibcode:2018JNEng..15c6014H. Дои:10.1088 / 1741-2552 / aaaed7. ЧВК  6576290. PMID  29589592.

внешние ссылки