Neuroteknik - Neural engineering

För annan användning, se Neurocybernetics .

Neural engineering (även känd som neuroengineering ) är en disciplin inom biomedicinsk teknik som använder tekniska tekniker för att förstå, reparera, byta ut eller förbättra neuralsystem. Neurala ingenjörer är unikt kvalificerade för att lösa designproblem vid gränssnittet mellan levande neural vävnad och icke-levande konstruktioner ( Hetling, 2008 ).

Översikt

Neuronteknikområdet bygger på beräkningsneurovetenskap , experimentell neurovetenskap, klinisk neurologi , elektroteknik och signalbehandling av levande neuralvävnad och omfattar element från robotik , cybernetik , datateknik , neuralvävnadsteknik , materialvetenskap och nanoteknik .

Framträdande mål på området inkluderar restaurering och förstärkning av mänsklig funktion via direkta interaktioner mellan nervsystemet och artificiella enheter .

Mycket aktuell forskning är inriktad på att förstå kodning och bearbetning av information i sensoriska och motoriska system, kvantifiera hur denna behandling förändras i det patologiska tillståndet och hur den kan manipuleras genom interaktioner med artificiella enheter, inklusive hjärn -dator -gränssnitt och neuroprostetik .

Annan forskning koncentrerar sig mer på undersökning genom experiment, inklusive användning av neurala implantat kopplade till extern teknik.

Neurohydrodynamik är en avdelning av neural engineering som fokuserar på hydrodynamik i det neurologiska systemet.

Historia

Eftersom neural engineering är ett relativt nytt område är information och forskning relaterad till det relativt begränsat, även om detta förändras snabbt. De första tidskrifterna specifikt för neuroteknik, The Journal of Neural Engineering och The Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation uppstod båda 2004. Internationella konferenser om neural engineering har hållits av IEEE sedan 2003, från 29 april till 2 maj 2009 i Antalya, Turkiets fjärde konferens om neural teknik, den femte internationella IEEE EMBS -konferensen om neural teknik i april/maj 2011 i Cancún , Mexiko och den sjätte konferensen i San Diego , Kalifornien i november 2013. Den sjunde konferensen hölls i april 2015 i Montpellier . Den 8: e konferensen hölls i maj 2017 i Shanghai .

Grunder

Grunderna bakom neuroengineering innefattar förhållandet mellan neuroner, neurala nätverk och nervsystemets funktioner till kvantifierbara modeller för att underlätta utvecklingen av enheter som kan tolka och styra signaler och producera målmedvetna svar.

Neurovetenskap

Meddelanden som kroppen använder för att påverka tankar, sinnen, rörelser och överlevnad riktas av nervimpulser som överförs över hjärnvävnad och till resten av kroppen. Neuroner är den grundläggande funktionella enheten i nervsystemet och är högspecialiserade celler som kan sända dessa signaler som driver funktioner på hög och låg nivå som behövs för överlevnad och livskvalitet. Neuroner har speciella elektrokemiska egenskaper som gör att de kan bearbeta information och sedan överföra den informationen till andra celler. Neuronal aktivitet är beroende av neural membranpotential och de förändringar som sker längs och över den. En konstant spänning, känd som membranpotentialen , upprätthålls normalt av vissa koncentrationer av specifika joner över neuronmembranen. Störningar eller variationer i denna spänning skapar en obalans eller polarisering över membranet. Depolarisering av membranet förbi dess tröskelpotential genererar en aktionspotential, som är huvudkällan för signalöverföring, känd som neurotransmission av nervsystemet. En åtgärdspotential resulterar i en kaskad av jonflöde ner och över ett axonalt membran, vilket skapar ett effektivt spänningståg eller "elektrisk signal" som kan överföra ytterligare elektriska förändringar i andra celler. Signaler kan genereras av elektriska, kemiska, magnetiska, optiska och andra former av stimuli som påverkar flödet av laddningar och därmed spänningsnivåer över neurala membran (He 2005).

Teknik

Ingenjörer använder kvantitativa verktyg som kan användas för att förstå och interagera med komplexa neurala system. Metoder för att studera och generera kemiska, elektriska, magnetiska och optiska signaler som är ansvariga för extracellulära fältpotentialer och synaptisk överföring hos neurala vävnader hjälper forskare vid modulering av nervsystemets aktivitet (Babb et al. 2008). För att förstå egenskaperna hos neuralt systemaktivitet använder ingenjörer signalbehandlingsteknik och beräkningsmodellering (Eliasmith & Anderson 2003). För att bearbeta dessa signaler måste neurala ingenjörer översätta spänningarna över neurala membran till motsvarande kod, en process som kallas neural kodning. Neuralkodningsstudier om hur hjärnan kodar för enkla kommandon i form av centrala mönstergeneratorer (CPG), rörelsevektorer, den cerebellära interna modellen och somatotopiska kartor för att förstå rörelse och sensoriska fenomen. Avkodning av dessa signaler inom neurovetenskapens område är den process genom vilken neuroner förstår spänningarna som har överförts till dem. Transformationer involverar de mekanismer som signaler från en viss form tolkas och sedan översätts till en annan form. Ingenjörer vill matematiskt modellera dessa transformationer (Eliasmith & Anderson 2003). Det finns en mängd olika metoder som används för att registrera dessa spänningssignaler. Dessa kan vara intracellulära eller extracellulära. Extracellulära metoder innefattar inspelningar med en enhet, extracellulära fältpotentialer och amperometri; mer nyligen har multielektrode -matriser använts för att registrera och efterlikna signaler.

Omfattning

Neuromekanik

Neuromekanik är kopplingen av neurobiologi, biomekanik, sensation och perception och robotik (Edwards 2010). Forskare använder avancerade tekniker och modeller för att studera de mekaniska egenskaperna hos neurala vävnader och deras effekter på vävnadernas förmåga att motstå och generera kraft och rörelser samt deras sårbarhet för traumatisk belastning (Laplaca & Prado 2010). Detta forskningsområde fokuserar på att översätta informationstransformationerna mellan neuromuskulära och skelettsystem för att utveckla funktioner och styrande regler för drift och organisation av dessa system (Nishikawa et al. 2007). Neuromekanik kan simuleras genom att ansluta beräkningsmodeller av neurala kretsar till modeller av djurkroppar som ligger i virtuella fysiska världar (Edwards 2010). Experimentell analys av biomekanik inklusive rörelsens kinematik och dynamik, processen och mönstren för motorisk och sensorisk återkoppling under rörelseprocesser och kretsen och synaptisk organisation av hjärnan som är ansvarig för motorstyrning forskas alla för närvarande för att förstå komplexiteten hos djurrörelser . Dr Michelle LaPlacas laboratorium vid Georgia Institute of Technology är involverat i studien av mekaniska cellkulturer, skjuvdeformation av plana cellkulturer och skjuvdeformation av 3D -cellinnehållande matriser. Förståelse för dessa processer följs av utveckling av fungerande modeller som kan karakterisera dessa system under förhållanden med slutna kretsar med speciellt definierade parametrar. Studien av neuromekanik syftar till att förbättra behandlingar för fysiologiska hälsoproblem som inkluderar optimering av protesdesign, restaurering av rörelse efter skada och design och kontroll av mobila robotar. Genom att studera strukturer i 3D -hydrogeler kan forskare identifiera nya modeller av nervcellsmekaniska egenskaper. Till exempel LaPlaca et al. utvecklat en ny modell som visar att stam kan spela en roll i cellkultur (LaPlaca et al. 2005).

Neuromodulering

Neuromodulering syftar till att behandla sjukdomar eller skador genom att använda teknik för medicinsk utrustning som skulle förbättra eller undertrycka nervsystemets aktivitet med avgivande av farmaceutiska medel, elektriska signaler eller andra former av energistimulering för att återupprätta balans i hjärnskadade områden. Forskare inom detta område står inför utmaningen att koppla framsteg i förståelsen av neurala signaler till framsteg inom teknik som levererar och analyserar dessa signaler med ökad känslighet, biokompatibilitet och livskraft i slutna slingor i hjärnan så att nya behandlingar och kliniska applikationer kan skapas för att behandla de som lider av neurala skador av olika slag. Neuromodulator -enheter kan korrigera nervsystemet dysfunktion relaterad till Parkinsons sjukdom, dystoni, tremor, Tourettes, kronisk smärta, OCD, svår depression och så småningom epilepsi. Neuromodulering är tilltalande som behandling för olika defekter eftersom den fokuserar på att behandla mycket specifika områden i hjärnan, i motsats till systemiska behandlingar som kan ha biverkningar på kroppen. Neuromodulatorstimulatorer som mikroelektrodgrupper kan stimulera och registrera hjärnans funktion och med ytterligare förbättringar är det tänkt att bli justerbara och lyhörda leveransanordningar för läkemedel och andra stimuli.

Neural återväxt och reparation

Neuroteknik och rehabilitering tillämpar neurovetenskap och teknik för att undersöka perifera och centrala nervsystemets funktion och för att hitta kliniska lösningar på problem som orsakas av hjärnskador eller funktionsstörningar. Teknik som tillämpas på neuroregeneration fokuserar på tekniska anordningar och material som underlättar tillväxten av neuroner för specifika tillämpningar såsom regenerering av perifer nervskada, regenerering av ryggmärgsvävnaden för ryggmärgsskada och regenerering av näthinnevävnad. Genteknik och vävnadsteknik är områden som utvecklar ställningar för ryggmärgen att växa över och därmed hjälpa neurologiska problem (Schmidt & Leach 2003).

Forskning och tillämpningar

Forskning inriktad på neural engineering använder apparater för att studera hur nervsystemet fungerar och fungerar (Schmidt & Leach 2003).

Neural avbildning

Neuroimaging -tekniker används för att undersöka aktiviteten hos neurala nätverk, liksom hjärnans struktur och funktion. Neuroimaging -teknologier inkluderar funktionell magnetisk resonansavbildning (fMRI), magnetisk resonansavbildning (MRI), positronemissionstomografi (PET) och beräknad axiell tomografi (CAT) -skanning. Funktionella neuroimaging -studier är intresserade av vilka områden i hjärnan som utför specifika uppgifter. fMRI mäter hemodynamisk aktivitet som är nära kopplad till neural aktivitet. Det används för att kartlägga metaboliska svar i specifika regioner i hjärnan till en given uppgift eller stimulans. PET, CT -skannrar och elektroencefalografi (EEG) förbättras för närvarande och används för liknande ändamål.

Neurala nätverk

Forskare kan använda experimentella observationer av neuronala system och teoretiska och beräkningsmodeller av dessa system för att skapa neurala nätverk med hopp om att modellera neurala system på ett så realistiskt sätt som möjligt. Neurala nätverk kan användas för analyser för att hjälpa till att designa ytterligare neurotekniska enheter. Specifikt hanterar forskare analytisk eller ändlig elementmodellering för att bestämma nervsystemets kontroll av rörelser och tillämpa dessa tekniker för att hjälpa patienter med hjärnskador eller störningar. Artificiella neurala nätverk kan byggas från teoretiska och beräkningsmodeller och implementeras på datorer från teoretiskt enhetliga ekvationer eller experimentella resultat av observerat beteende hos neuronala system. Modeller kan representera jonkoncentrationsdynamik, kanalkinetik, synaptisk överföring, enkel neuronberäkning, syremetabolism eller tillämpning av dynamisk systemteori (LaPlaca et al. 2005). Vätskebaserad mallmontering användes för att konstruera neurala 3D-nätverk från neuronfröade mikrobärarpärlor.

Neurala gränssnitt

Neurala gränssnitt är ett viktigt element som används för att studera neurala system och förbättra eller ersätta neuronal funktion med konstruerade enheter. Ingenjörer utmanas med att utveckla elektroder som selektivt kan spela in från associerade elektroniska kretsar för att samla in information om nervsystemets aktivitet och för att stimulera specifika områden av neural vävnad för att återställa funktion eller känsla av den vävnaden (Cullen et al. 2011). Materialen som används för dessa enheter måste matcha de mekaniska egenskaperna hos neurala vävnader där de placeras och skadan måste bedömas. Neuralt gränssnitt innebär tillfällig regenerering av biomaterialställningar eller kroniska elektroder och måste hantera kroppens reaktion på främmande material. Mikroelektrodsystem är nya framsteg som kan användas för att studera neurala nätverk (Cullen & Pfister 2011). Optiska neurala gränssnitt involverar optiska inspelningar och optogenetisk stimulering som gör hjärnceller ljuskänsliga. Fiberoptik kan implanteras i hjärnan för att stimulera och registrera denna fotonaktivitet istället för elektroder. Två-foton excitationsmikroskopi kan studera levande neuronala nätverk och de kommunikativa händelserna bland neuroner.

Hjärna -dator gränssnitt

Hjärna -datorgränssnitt försöker direkt kommunicera med det mänskliga nervsystemet för att övervaka och stimulera neurala kretsar samt diagnostisera och behandla inneboende neurologisk dysfunktion. Djup hjärnstimulering är ett betydande framsteg inom detta område som är särskilt effektivt vid behandling av rörelsestörningar såsom Parkinsons sjukdom med högfrekvent stimulering av neural vävnad för att undertrycka skakningar (Lega et al. 2011).

Mikrosystem

Neurala mikrosystem kan utvecklas för att tolka och leverera elektriska, kemiska, magnetiska och optiska signaler till neurala vävnader. De kan upptäcka variationer i membranpotential och mäta elektriska egenskaper som spikpopulation, amplitud eller hastighet med hjälp av elektroder eller genom bedömning av kemiska koncentrationer, fluorescensljusintensitet eller magnetfältpotential. Målet med dessa system är att leverera signaler som skulle påverka neuronal vävnadspotential och därmed stimulera hjärnvävnaden att framkalla ett önskat svar (He 2005).

Mikroelektroder

Mikroelektrodsystem är specifika verktyg som används för att detektera de skarpa spänningsförändringarna i de extracellulära miljöerna som uppstår vid spridning av en åtgärdspotential ner i ett axon. Dr Mark Allen och Dr LaPlaca har mikrofabricerade 3D-elektroder av cytokompatibla material som SU-8 och SLA-polymerer som har lett till utvecklingen av in vitro- och in vivo-mikroelektrodsystem med egenskaperna hög efterlevnad och flexibilitet för att minimera vävnadsstörningar .

Neurala proteser

Neuroprostetik är enheter som kan komplettera eller ersätta nervsystemets saknade funktioner genom att stimulera nervsystemet och registrera dess aktivitet. Elektroder som mäter avfyrning av nerver kan integreras med protesanordningar och signalera dem att utföra den funktion som avses med den överförda signalen. Sensoriska proteser använder artificiella sensorer för att ersätta neurala ingångar som kan saknas från biologiska källor (He 2005). Ingenjörer som undersöker dessa enheter har ansvar för att tillhandahålla ett kroniskt, säkert, konstgjort gränssnitt med neuronal vävnad. Den kanske mest framgångsrika av dessa sensoriska proteser är cochleaimplantatet som har återställt hörselförmågan för döva. Visuell protes för att återställa blinda visuella förmågor är fortfarande i mer elementära utvecklingsstadier. Motorproteser är enheter som är involverade i elektrisk stimulering av biologiskt neuralt muskelsystem som kan ersätta kontrollmekanismer i hjärnan eller ryggmärgen. Smarta proteser kan utformas för att ersätta saknade lemmar som styrs av neurala signaler genom att transplantera nerver från en amputerad stubbe till muskler. Sensoriska proteser ger sensorisk feedback genom att omvandla mekaniska stimuli från periferin till kodad information som är tillgänglig för nervsystemet. Elektroder placerade på huden kan tolka signaler och sedan styra den protetiska lemmen. Dessa proteser har varit mycket framgångsrika. Funktionell elektrisk stimulering (FES) är ett system som syftar till att återställa motoriska processer som att stå, gå och handgrepp.

Neurorobotik

Neurorobotics är studien av hur neurala system kan förkroppsligas och rörelser emuleras i mekaniska maskiner. Neuroroboter används vanligtvis för att studera motorstyrning och rörelse, inlärning och minnesval, och värdesystem och åtgärdsval. Genom att studera neuroroboter i verkliga miljöer observeras och bedöms de lättare för att beskriva heuristik för robotfunktion när det gäller dess inbäddade neurala system och reaktionerna från dessa system till dess omgivning (Krichmar 2008). Till exempel, med hjälp av en beräkningsmodell för epilektisk spik-vågdynamik, har det redan bevisats effektiviteten av en metod för att simulera anfallsminskning genom ett pseudospektralt protokoll. Beräkningsmodellen efterliknar hjärnans anslutning genom att använda en magnetisk bildresonans från en patient som lider av idiopatisk generaliserad epilepsi. Metoden kunde generera stimuli som kunde minska anfall.

Neural vävnadsregenerering

Neural vävnadsregenerering eller neuroregeneration ser ut att återställa funktionen till de neuroner som har skadats vid små skador och större skador som de som orsakas av traumatisk hjärnskada. Funktionell återställning av skadade nerver innebär återupprättande av en kontinuerlig väg för regenererande axoner till platsen för innervation. Forskare som Dr LaPlaca vid Georgia Institute of Technology vill hjälpa till att hitta behandling för reparation och förnyelse efter traumatisk hjärnskada och ryggmärgsskador genom att tillämpa vävnadstekniska strategier. Dr LaPlaca undersöker metoder som kombinerar neurala stamceller med ett extracellulärt matrisproteinbaserat ställning för minimalt invasiv leverans till de oregelbundet formade lesionerna som bildas efter en traumatisk förolämpning. Genom att studera de neurala stamcellerna in vitro och utforska alternativa cellkällor, konstruera nya biopolymerer som kan användas i en byggnadsställning och undersöka cell- eller vävnadstekniska konstruktionstransplantationer in vivo i modeller av traumatisk hjärna- och ryggmärgsskada, syftar Dr. LaPlacas laboratorium för att identifiera optimala strategier för nervregenerering efter skada.

Nuvarande metoder för klinisk behandling

End -to -end kirurgisk sutur av skadade nervändar kan reparera små luckor med autologa nervtransplantat. För större skador kan ett autologt nervtransplantat som har skördats från en annan plats i kroppen användas, även om denna process är tidskrävande, kostsam och kräver två operationer (Schmidt & Leach 2003). Klinisk behandling av CNS är minimalt tillgänglig och fokuserar mestadels på att minska säkerhetsskador orsakade av benfragment nära platsen för skada eller inflammation. Efter att svullnaden kring skadan minskar, genomgår patienter rehabilitering så att återstående nerver kan tränas för att kompensera för bristen på nervfunktion hos skadade nerver. Det finns för närvarande ingen behandling för att återställa nervfunktionen hos CNS -nerver som har skadats (Schmidt & Leach 2003).

Tekniska strategier för reparation

Tekniska strategier för reparation av ryggmärgsskada är inriktade på att skapa en vänlig miljö för nervregenerering. Endast PNS -nervskador har varit kliniskt möjliga hittills, men framsteg inom forskning av genetiska tekniker och biomaterial visar potentialen för SC -nerver att regenerera i tillåtna miljöer.

Ympningar

Fördelarna med autologa vävnadstransplantationer är att de kommer från naturmaterial som har stor sannolikhet för biokompatibilitet samtidigt som de ger strukturellt stöd till nerver som uppmuntrar celladhesion och migration (Schmidt & Leach 2003). Nonautolog vävnad, acellulära transplantat och extracellulära matrisbaserade material är alla alternativ som också kan ge idealiska byggnadsställningar för nervregenerering . Vissa kommer från allogena eller xenogena vävnader som måste kombineras med immunsuppressiva medel . medan andra inkluderar tunntarmen submucosa och fostervatten vävnadstransplantat (Schmidt & Leach 2003). Syntetiska material är attraktiva alternativ eftersom deras fysiska och kemiska egenskaper normalt kan kontrolleras. En utmaning som återstår med syntetiska material är biokompatibilitet (Schmidt & Leach 2003). Metylcellulosa -baserade konstruktioner har visat sig vara ett biokompatibelt alternativ som tjänar detta syfte (Tate et al. 2001). AxoGen använder en celltransplantationsteknik AVANCE för att efterlikna en mänsklig nerv. Det har visat sig uppnå en meningsfull återhämtning hos 87 procent av patienterna med perifera nervskador.

Nerve guidningskanaler

Nerveguidekanaler, Nerveguidningskanal är innovativa strategier som fokuserar på större defekter som ger en kanal för spirande axoner som styr tillväxt och minskar tillväxthämning från ärrvävnad. Nerveguidekanaler måste lätt formas till en kanal med önskade dimensioner, steriliserbara, rivresistenta och enkla att hantera och sy (Schmidt & Leach 2003). Helst skulle de försämras med tiden med nervregenerering, vara smidiga, halvgenomsläppliga, behålla sin form och ha en slät innervägg som efterliknar den hos en verklig nerv (Schmidt & Leach 2003).

Biomolekylära terapier

Högkontrollerade leveranssystem behövs för att främja neural regenerering . Neurotrofiska faktorer kan påverka utveckling, överlevnad, utväxt och förgrening. Neurotrofiner inkluderar nervtillväxtfaktor (NGF), hjärnhärledd neurotrofisk faktor (BDNF), neurotrofin-3 (NT-3) och neurotrofin-4/5 (NT-4/5). Andra faktorer är ciliär neurotrofisk faktor (CNTF), tillväxtfaktor härledd till glialcellinje (GDNF) och sur och grundläggande fibroblast-tillväxtfaktor (aFGF, bFGF) som främjar en rad neurala svar. (Schmidt & Leach 2003) Fibronectin har också visat sig stödja nervregenerering efter TBI hos råttor (Tate et al. 2002). Andra terapier undersöker regenerering av nerver genom uppreglering av regenereringsassocierade gener (RAG), neuronala cytoskeletala komponenter och antiapoptosfaktorer . RAGs inkluderar GAP-43 och Cap-23, vidhäftningsmolekyler såsom L1-familjen , NCAM och N-cadherin (Schmidt & Leach 2003). Det finns också potential att blockera hämmande biomolekyler i CNS på grund av glialärrbildning. Några som för närvarande studeras är behandlingar med kondroitinas ABC och blockerande NgR, ADP-ribos (Schmidt & Leach 2003).

Leverans tekniker

Leveransanordningar måste vara biokompatibla och stabila in vivo. Några exempel inkluderar osmotiska pumpar, silikonbehållare, polymermatriser och mikrosfärer. Genterapitekniker har också studerats för att tillhandahålla långsiktig produktion av tillväxtfaktorer och kan levereras med virala eller icke-virala vektorer såsom lipoplexer. Celler är också effektiva leveransbärare för ECM -komponenter, neurotrofiska faktorer och celladhesionsmolekyler. Luktfrämjande celler (OEC) och stamceller samt genetiskt modifierade celler har använts som transplantationer för att stödja nervregenerering (LaPlaca et al. 2005, Schmidt & Leach 2003, Tate et al. 2002).

Avancerade terapier

Avancerade terapier kombinerar komplexa vägledningskanaler och flera stimuli som fokuserar på inre strukturer som efterliknar nervarkitekturen som innehåller inre matriser av längsgående riktade fibrer eller kanaler. Tillverkning av dessa strukturer kan använda ett antal teknologier: magnetisk polymerfiberjustering, formsprutning, fasseparation, solid friformstillverkning och bläckstrålepolymerutskrift (Schmidt & Leach 2003).

Neural förbättring

Förstärkning av mänskliga neurala system, eller mänsklig förbättring med hjälp av tekniska tekniker är en annan möjlig tillämpning av neuroengineering. Djup hjärnstimulering har redan visat sig förbättra minnesåterkallelsen enligt patienter som för närvarande använder denna behandling för neurologiska störningar. Hjärnstimuleringstekniker är postulerade för att kunna skulptera känslor och personligheter samt öka motivationen, minska hämningar etc. efter individens önskemål. Etiska problem med denna typ av mänsklig förstärkning är en ny uppsättning frågor som neurala ingenjörer måste kämpa med när dessa studier utvecklas.

Se även

Referenser

externa länkar