Нейротрофический электрод - Neurotrophic electrode

А
Нейротрофический электрод: золотые проволоки с тефлоновым покрытием выходят из задней части стеклянного конуса, а нейриты (показаны синим) проходят сквозь него.

В нейротрофический электрод является интракортикальное устройство предназначен для считывания электрических сигналов, которые мозг использует для обработки информации. Он состоит из небольшого полого стеклянного конуса, прикрепленного к нескольким проводящим золотым проводам. Период, термин нейротрофический означает «относящийся к питанию и поддержанию нервной ткани», и устройство получило свое название от того факта, что оно покрыто Матригель и фактор роста нервов поощрять расширение невриты через его кончик.[1] Он был изобретен неврологом доктором Филипом Кеннеди и впервые успешно имплантирован пациенту в 1996 году нейрохирургом Роем Бакаем.[2]

Задний план

Мотивация к развитию

Жертвы синдром запертости когнитивно неповреждены и осознают свое окружение, но не могут двигаться или общаться из-за почти полного паралича произвольных мышц. В ранних попытках вернуть этим пациентам некоторую степень контроля исследователи использовали корковые сигналы получено с электроэнцефалография (ЭЭГ) для управления курсором мыши. Однако ЭЭГ не хватает скорости и точности, которые можно получить при использовании прямого кортикального интерфейса.[3]

Пациенты с другими двигательными заболеваниями, такими как боковой амиотрофический склероз и церебральный паралич Имплантированные электроды также могут быть полезны тем, кто перенес тяжелый инсульт или травму спинного мозга. Корковые сигналы могут использоваться для управления роботизированными конечностями, поэтому по мере совершенствования технологии и снижения рисков процедуры прямое взаимодействие может даже оказать помощь инвалидам.[4]

Развитие дизайна

Когда доктор Кеннеди конструировал электрод, он знал, что ему нужно устройство, которое будет беспроводным, биологически совместимым и способным к хронической имплантации. Первоначальные исследования на макаках-резус и крысах продемонстрировали, что нейротрофический электрод может имплантироваться в течение 14 месяцев (испытания на людях позже подтвердят еще большую надежность).[5] Это долголетие было бесценным для исследований, потому что, пока обезьяны обучались выполнению задания, нейроны, которые изначально молчали, начали активироваться, когда задача была изучена, - явление, которое не наблюдалось бы, если бы электрод не был способен к длительной имплантации.[1]

Компоненты

Стеклянный конус

Стеклянный конус имеет длину всего 1-2 мм и заполнен трофические факторы чтобы стимулировать прорастание аксонов и дендритов через его кончик и полое тело. Когда невриты достигают заднего конца конуса, они соединяются с нейропиль на той стороне, которая фиксирует стеклянный конус на месте. В результате достигается стабильная и надежная долгосрочная запись.[6] Конус конуса находится рядом с пятым слоем коры, среди кортикоспинальный тракт тела клеток и вставляется под углом 45 ° от поверхности на глубину около 5 или 6 мм.[7]

Золотые провода

Три или четыре золотых проволоки приклеены к внутренней стороне стеклянного конуса и выступают сзади. Они регистрируют электрическую активность аксонов, которые выросли через конус, и изолированы Тефлон. Провода скручены таким образом, чтобы уменьшить напряжение, потому что они встроены в кору на одном конце и прикреплены к усилителям, которые прикреплены к внутренней части черепа, на другом. К каждому усилителю подключено два провода, чтобы обеспечить дифференциальная сигнализация.[7]

Беспроводной передатчик

Одной из самых сильных сторон нейротрофического электрода является его беспроводная связь, поскольку без трансдермальной проводки риск инфицирования значительно снижается. Когда нервные сигналы собираются электродами, они проходят по золотым проводам и через череп, где передаются в биоусилители (обычно реализуется дифференциальные усилители ). Усиленные сигналы отправляются через переключатель на передатчик, где они преобразуются в сигналы FM и транслируются с помощью антенны. Усилители и передатчики питаются от 1 МГц индукция сигнал, который исправленный и фильтровали. Антенна, усилители, аналоговые переключатели и FM-передатчики содержатся в стандартном печатная плата поверхностного монтажа который находится прямо под кожей головы. Весь ансамбль покрыт защитными гелями, Парилен, Элвакс и Силастик, чтобы сделать его биосовместимым и защитить электронику от жидкостей.[7]

Система сбора данных

На внешней стороне кожи головы пациента находится соответствующая индукционная катушка и антенна, которая посылает сигнал FM сигнал к получатель. Эти устройства временно удерживаются на месте с помощью водорастворимой пасты. Приемник демодулирует сигнал и отправляет его на компьютер для спайковая сортировка и запись данных.[7]

Сборка

Большинство нейротрофических электродов изготавливается вручную. Золотые проволоки обрезаются до нужной длины, скручиваются в спираль и затем изгибаются под углом 45 ° чуть выше точки контакта с конусом, чтобы ограничить глубину имплантации. Еще один изгиб в обратном направлении добавлен там, где провода проходят через череп. С наконечников снимается тефлоновое покрытие, а те, которые находятся дальше всего от конуса, припаиваются, а затем герметизируются стоматологическим акрилом к ​​компонентному соединителю. Стеклянный конус изготавливается путем нагревания и вытягивания стеклянного стержня до точки, а затем отрезания кончика нужной длины. Другой конец не имеет прямого сечения, а скорее вырезан под углом, чтобы обеспечить полку, на которую можно прикрепить золотые проволоки. Затем провода кладут на полку и метилметакрилат гель-клей наносится в несколько слоев, стараясь не покрыть токопроводящие наконечники. Наконец, устройство стерилизуется с помощью глутаральдегид газ при невысокой температуре, и газированный.[7]

Реализация

Компьютерное управление курсором

Один из пациентов доктора Кеннеди, Джонни Рэй, смог научиться управлять компьютерным курсором с помощью нейротрофического электрода. Три различных нейронных сигнала от устройства коррелировали с перемещением курсора по оси x, вдоль оси y и функцией «выбора» соответственно. Движение в заданном направлении было вызвано увеличением частоты возбуждения нейронов в соответствующем канале.[3]

Синтез речи

Нейронные сигналы, полученные от другого пациента доктора Кеннеди, были использованы для формирования гласных звуков с помощью синтезатора речи в реальном времени. Настройка электроники была очень похожа на ту, что использовалась для курсора, с добавлением нейронного декодера постприемника и самого синтезатора. Исследователи имплантировали электрод в область моторной коры головного мозга, связанную с движением речевых артикуляторов, потому что перед операцией фМРТ сканирование показало высокую активность во время задания имен изображений. Средняя задержка от нервного импульса до выхода синтезатора составила 50 мс, что примерно равно задержке для интактного биологического пути.[8]

Сравнение с другими методами записи

Нейротрофический электрод, как описано выше, является беспроводным устройством и передает свои сигналы чрескожно. Кроме того, он продемонстрировал долговечность более четырех лет у пациента-человека, потому что каждый компонент полностью биосовместимый. Однако объем информации, которую он может предоставить, ограничен, потому что электроника, которую он использует для передачи сигнала, требует так много места на коже черепа, что на человеческий череп поместятся только четыре.[2]

В качестве альтернативы Юта массив в настоящее время является проводным устройством, но передает больше информации. Он был имплантирован человеку более двух лет и состоит из 100 токопроводящих силиконовых игольчатых электродов, поэтому он имеет высокое разрешение и может записывать данные со многих отдельных нейронов.[9]

В одном эксперименте доктор Кеннеди адаптировал нейротрофический электрод для считывания потенциалы локального поля (LFP). Он продемонстрировал, что они способны управлять устройствами со вспомогательными технологиями, предположив, что можно использовать менее инвазивные методы для восстановления функциональности заблокированных пациентов. Однако в исследовании не рассматривалась степень контроля, возможная с помощью LFP, и не проводилось формальное сравнение между LFP и отдельной единицей активности.[10]

Электроэнцефалография (ЭЭГ) включает размещение множества поверхностных электродов на коже головы пациента в попытке записать суммарную активность от десятков тысяч до миллионов нейронов. ЭЭГ имеет потенциал для длительного использования в качестве интерфейс мозг-компьютер, потому что электроды можно держать на коже черепа неограниченное время. Временное и пространственное разрешение и отношение сигнал / шум ЭЭГ всегда отставали от аналогичных интракортикальных устройств, но у него есть то преимущество, что оно не требует хирургического вмешательства.[9]

Электрокортикография (ЭКоГ) регистрирует совокупную активность от сотен до тысяч нейронов с листом электродов, размещенным непосредственно на поверхности мозга. Устройство ЭКоГ не только требует хирургического вмешательства и имеет низкое разрешение, но и подключено к проводам, что означает, что кожа головы не может быть полностью закрыта, что увеличивает риск инфицирования. Однако исследователи, изучающие ЭКоГ, утверждают, что сетка «обладает характеристиками, пригодными для долгосрочной имплантации».[9]

Недостатки

Задержка активации

Нейротрофический электрод не активен сразу после имплантации, потому что аксоны должны врасти в конус, прежде чем устройство сможет улавливать электрические сигналы. Исследования показали, что рост тканей в основном завершается уже через месяц после процедуры, но для стабилизации требуется до четырех месяцев.[1]

Риски операции

Риски, связанные с имплантацией, - это те, которые обычно связаны с операцией на головном мозге, а именно возможность кровотечения, инфекции, судорог, инсульта и повреждения мозга. До тех пор, пока технология не достигнет точки, в которой эти риски будут значительно уменьшены, процедура будет сохранена для крайних или экспериментальных случаев.[2]

Сбой устройства

Когда Джонни Рэй был имплантирован в 1998 году, один из нейротрофических электродов начал подавать прерывистый сигнал после того, как он закрепился в нейропиле, и в результате доктор Кеннеди был вынужден полагаться на оставшиеся устройства.[3] Таким образом, даже если после операции нет осложнений, все равно существует вероятность выхода из строя электроники. Кроме того, хотя сами имплантаты заключены в череп и, следовательно, относительно безопасны от физических повреждений, электроника на внешней стороне черепа уязвима. Двое пациентов доктора Кеннеди случайно нанесли ущерб во время спазма, но в обоих случаях требовалось заменить только внешние устройства.[7]

Будущие приложения

Нейропротезирование

По состоянию на ноябрь 2010 года доктор Кеннеди работает над приложением электрода для синтеза речи, но планирует расширить его применение во многих различных областях, одна из которых - восстановление движения с помощью нейропротезирование.[2]

Немая речь

Беззвучная речь - это «обработка речи в отсутствие внятного акустического сигнала», которая используется либо в качестве вспомогательного средства для людей с нарушениями речи, либо для общения в местах с необходимой тишиной или высоким фоновым шумом. Одно из предполагаемых будущих применений нейротрофического электрода и компьютерных интерфейсов мозга в целом - обеспечение беззвучной речи путем декодирования нейронных сигналов «говорящего» и передачи аудиосигнала в наушники, которые носит предполагаемый слушатель. Стандартные преимущества и недостатки инвазивных интерфейсов по сравнению с неинвазивными интерфейсами все еще применимы.[11] Однако для этого конкретного применения нейротрофический электрод имеет то преимущество, что уже было показано, что он эффективен для восстановления связи с пациентами с ограниченными возможностями.[8]

использованная литература

  1. ^ а б c Кеннеди П. Р. и Бакай Р. А. Э. (1997). Активность единичных потенциалов действия в моторной коре головного мозга обезьяны при долгосрочном обучении. Исследование мозга, 760 (1-2), 251-254.
  2. ^ а б c d Интервью с доктором Кеннеди, старшим научным сотрудником Neural Signals, Inc., 30 сентября 2010 г.
  3. ^ а б c Кеннеди, П. Р., Бакай, Р. А. Э., Мур, М. М., Адамс, К., и Голдвайт, Дж. (2000). Прямое управление компьютером от центральной нервной системы человека. [Статья]. IEEE Transactions по реабилитационной инженерии, 8 (2), 198-202.
  4. ^ Лебедев, М.А., и Николелис, М.А.Л. (2006). Интерфейсы мозг-машина: прошлое, настоящее и будущее. [Обзор]. Тенденции в неврологии, 29 (9), 536-546.
  5. ^ Кеннеди П. Р., Мирра С. С. и Бакай Р. А. Э. (1992). КОНУСНЫЙ ЭЛЕКТРОД - УЛЬТРАСТРУКТУРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОСЛЕ ДОЛГОСРОЧНОЙ ЗАПИСИ КОРТЕКСА КРЫС И ОБЕЗЬЯНЫ. [Статья]. Письма о неврологии, 142 (1), 89-94.
  6. ^ Кеннеди, П. Р. (1989). КОНУСНЫЙ ЭЛЕКТРОД - ДОЛГОВРЕМЕННЫЙ ЭЛЕКТРОД, ЗАПИСЫВАЮЩИЙ ИЗ НЕЙРИТОВ, ВЫРАЩИВШИХСЯ НА ЕГО ЗАПИСИВАЮЩУЮ ПОВЕРХНОСТЬ. [Статья]. Журнал методов неврологии, 29 (3), 181-193.
  7. ^ а б c d е ж Бартельс, Д., Андреасен, Д., Эхирим, П., Мао, Х., Зайберт, С., Райт, Э. Дж. И др. (2008). Нейротрофический электрод: метод сборки и имплантации в моторную речевую кору человека. [Статья]. Журнал методов нейронауки, 174 (2), 168-176.
  8. ^ а б Гюнтер, Ф. Х., Брумберг, Дж. С., Райт, Э. Дж., Нието-Кастанон, А., Турвиль, Дж. А., Панко, М. и др. (2009). Беспроводной интерфейс мозг-машина для синтеза речи в реальном времени. PLoS ONE, 4 (12).
  9. ^ а б c Брумберг, Дж. С., Нието-Кастанон, А., Кеннеди, П. Р., и Гюнтер, Ф. Х. (2010). Интерфейсы мозг-компьютер для речевого общения. Речевая коммуникация, 52 (4), 367-379.
  10. ^ Кеннеди П. Р., Кирби М. Т., Мур М. М., Кинг Б. и Мэллори А. (2004). Компьютерное управление с использованием потенциалов местного интракортикального поля человека. [Статья]. IEEE Transactions по нейронным системам и реабилитационной инженерии, 12 (3), 339-344.
  11. ^ Денби, Б., Шульц, Т., Хонда, К., Хюбер, Т., Гилберт, Дж. М., и Брумберг, Дж. С. (2010). Беззвучные речевые интерфейсы. [Статья]. Речевая коммуникация, 52 (4), 270-287.