Hipokampální protéza - Hippocampal prosthesis

A hipokampická protéza je typ kognitivní protéza (protéza implantovaná do nervového systému za účelem zlepšení nebo nahrazení funkce poškozené mozkové tkáně). Protetická zařízení nahrazují normální funkci poškozené části těla; může to být jednoduše strukturální náhrada (např. rekonstrukční chirurgie nebo skleněné oko) nebo základní funkční náhrada (např. pegleg nebo háček). Protetika zahrnující mozek však má některé speciální kategorie a požadavky. „Vstupní“ protetika, jako je sítnice nebo kochleární implantát, dodávat do mozku signály, které se pacient nakonec naučí interpretovat jako zrak nebo zvuk. "Výstupní" protetika využívá mozkové signály k řízení a bionický paže, ruky nebo počítačového zařízení a vyžadují značné školení, během kterého se pacient naučí generovat požadovanou akci prostřednictvím svých myšlenek. Oba tyto typy protetiky se spoléhají na plasticitu mozku, aby se přizpůsobil požadavkům protézy, což uživateli umožňuje „naučit se“ používání jeho nové části těla. Kognitivní protéza „mozek-mozek“ nezahrnuje ani naučené vstupní ani výstupní signály, ale nativní signály používané normálně oblastí mozku, která má být nahrazena (nebo podporována). Takové zařízení tedy musí být schopné plně nahradit funkci malé části nervové soustavy - za použití normálního provozního režimu této části. K dosažení tohoto cíle vyžadují vývojáři hluboké pochopení fungování nervového systému. Rozsah konstrukce musí zahrnovat spolehlivý matematický model i technologii, aby bylo možné správně vyrobit a nainstalovat kognitivní protézu. Primárním cílem umělého hipokampu je poskytnout léčbu Alzheimerovy choroby a dalších problémů souvisejících s hipokampem. Aby to bylo možné, musí být protéza schopna přijímat informace přímo z mozku, analyzovat je a poskytovat odpovídající výstup do mozkové kůry; jinými slovy, musí se chovat jako přirozený hipokamp. Zároveň musí být umělý orgán zcela autonomní, protože jakýkoli vnější zdroj energie výrazně zvýší riziko infekce.

Hippocampus

Role

The hipokampus je součástí člověka limbický systém, který interaguje s neokortexem a jinými částmi mozku a produkuje je emoce.[1] Jako součást limbického systému hraje hipokampus svou roli při formování emocí kromě svých dalších rolí, jako je konsolidace nových vzpomínek, navigace a prostorová orientace.[2] Hippocampus je zodpovědný za vytváření dlouhodobých vzpomínek na poznání. Jinými slovy, toto je ta část mozku, která nám umožňuje spojit tvář se jménem. Kvůli úzkému vztahu s tvorbou paměti je poškození hipokampu úzce spojeno Alzheimerova choroba.

Anatomie

Další anatomické informace viz Anatomie hipokampu.

Hippocampus je a bilaterální struktura umístěná pod neokortex. Každý hipokampus je „složen z několika různých subsystémů, které tvoří uzavřenou zpětnovazební smyčku, přičemž vstup z neokortexu vstupuje přes entorhinální kůru, šíří se vnitřními podoblastmi hipokampu a vrací se do neokortexu.“ V elektronickém smyslu je hipokampus složen z plátku paralelních obvodů.

Základní požadavky

Biokompatibilita

Protože protéza bude trvale implantována do mozku, dlouhodobě biokompatibilita je požadováno. Musíme také vzít v úvahu tendenci podporovat braincell jako astrocyty zapouzdřit implantát. (Toto je přirozená reakce pro braincely, aby byla chráněna neurony ), což zhoršuje jeho funkci.[3]

Bio-mimetikum

Bytost biomimetický znamená, že implantát musí být schopen splnit vlastnosti skutečné biologické neuron. Abychom to mohli udělat, musíme mít důkladné znalosti o chování mozku, abychom mohli vytvořit solidní matematický model, na kterém bude založen. Pole výpočetní neurověda v tomto úsilí pokročila.

Nejprve musíme vzít v úvahu, že stejně jako většina biologických procesů je chování neuronů velmi vysoké nelineární a závisí na mnoha faktorech: vzory vstupní frekvence atd. Dobrý model musí také brát v úvahu skutečnost, že exprese jedné nervové buňky je zanedbatelná, protože procesy jsou přenášeny skupinami neuronů interagujících v síti.[4] Po instalaci musí zařízení po delší dobu převzít veškerou (nebo alespoň většinu) funkci poškozeného hipokampu. Nejprve umělé neurony musí být schopni spolupracovat v síť stejně jako skutečné neurony. Poté musí být schopní, funkční a efektivní synaptická spojení s existujícími neurony v mozku; proto bude vyžadován model rozhraní křemík / neurony.

Velikost

Implantát musí být dostatečně malý, aby byl implantovatelný, a zároveň minimalizovat vedlejší poškození během a po implantaci.

Obousměrná komunikace

Aby bylo možné plně převzít funkci poškozeného hipokampu, musí být protéza schopna obousměrně komunikovat s existující tkání. jinými slovy, implantát musí být schopen přijímat informace z mozku a poskytovat odpovídající a stlačitelnou zpětnou vazbu okolním nervovým buňkám.[4]

Personalizované

Strukturální a funkční charakteristika mozku se mezi jednotlivci velmi liší; jakýkoli nervový implantát proto musí být specifický pro každého jedince, což vyžaduje přesný model hipokampu a použití pokročilých obrazů mozku k určení individuální odchylky.

Chirurgický požadavek

Vzhledem k tomu, že protéza bude instalována uvnitř mozku, bude samotná operace podobná operaci odstranění nádoru. I když vedlejší poškození bude nevyhnutelné, účinek na pacienta bude minimální.[5]

Modelka

„Abychom mohli začlenit nelineární dynamiku biologických neuronů do neuronových modelů pro vývoj protézy, je nejprve nutné je přesně měřit. Vyvinuli jsme a aplikovali metody pro kvantifikaci nelineární dynamiky hipokampálních neuronů (Berger et al., 1988a, b, 1991, 1992, 1994; Dalal a kol., 1997) s využitím principů teorie nelineárních systémů (Lee a Schetzen, 1965; Krausz, 1975; PZ Marmarelis a Marmarelis, 1978; Rugh, 1981; Sclabassi a kol., 1988) V tomto přístupu jsou vlastnosti neuronů hodnoceny experimentálně použitím náhodného intervalu řady elektrických impulsů jako vstupu a elektrofyziologickým záznamem evokovaného výstupu cílového neuronu během stimulace (obrázek 12.2A). Vstupní řada se skládá z řady impulzů ( až 4064), přičemž intervaly interimpulse se mění podle Poissonova procesu s průměrem 500 ms a rozsahem 0,2–5 000 ms. Vstup je tedy „širokopásmový“ a stimuluje neuron po většinu jeho oper dosah; to znamená, že statistické vlastnosti náhodného sledu jsou vysoce v souladu se známými fyziologickými vlastnostmi hipokampálních neuronů. Vlastnosti nelineární odezvy jsou vyjádřeny ve vztahu mezi progresivně časovými vlastnostmi vyššího řádu sekvence vstupních událostí a pravděpodobností neuronového výstupu a jsou modelovány jako jádra řady funkčních sil. “[4]

Zapojená technologie

Zobrazování

Technologie jako EEG, MEG, fMRI a další typ zobrazovací technologie je nezbytný pro instalaci implantátu, který vyžaduje vysokou přesnost, aby se minimalizovalo vedlejší poškození (protože hipokampus je umístěn uvnitř kůry), stejně jako správná funkce zařízení.

Rozhraní křemík / neuron

Pro správnou interakci křemíkových neuronů protézy a biologických neuronů v mozku bude zapotřebí rozhraní křemík / neuron.

Síťový procesor Neuron

V mozku jsou úkoly prováděny spíše skupinami vzájemně propojených neuronových sítí než jedinou buňkou, což znamená, že jakákoli protéza musí být schopna toto chování sítě simulovat. K tomu budeme potřebovat vysoký počet a hustotu křemíkových neuronů, abychom vytvořili účinnou protézu; proto, a High-density Hippocampal Neuron Network Processor bude zapotřebí, aby protéza plnila úkol biologického hipokampu. Kromě toho bude rozhraní neuron / křemík nezbytné pro obousměrnou komunikaci implantované protézy. Výběr materiálu a konstrukce musí zajistit dlouhodobou životaschopnost a biologickou kompatibilitu a současně zajistit hustotu a specifičnost propojení.[4]

Zdroj napájení

Vhodný zdroj energie je stále hlavním problémem každého neurálního implantátu. Protože protézy jsou implantovány do mozku, kromě dlouhodobé biokompatibility bude napájení vyžadovat několik specifikací. Nejprve musí být napájecí zdroj samonabíjecí. Na rozdíl od jiných protéz je infekce mnohem důležitější pro nervový implantát kvůli citlivosti mozku; externí zdroj energie proto nelze předpokládat. Protože mozek je také vysoce citlivý na teplo, nesmí síla ani samotné zařízení generovat příliš mnoho tepla, aby nedošlo k narušení funkce mozku.

Protetická paměť hipokampu

A protetický silikonový čip s neuronovou pamětí je zařízení, které napodobuje mozkový proces vytváření dlouhodobých vzpomínek. Prototyp tohoto zařízení navrhl Theodore Berger, biomedicínský inženýr a neurolog ve společnosti University of Southern California. Na designu začal Berger pracovat počátkem 90. let. Spolupracoval s výzkumnými kolegy, kteří byli schopni implantovat elektrody na krysy a opice, aby se otestovalo obnovení paměťové funkce. Poslední práce ukazuje, že systém může vytvářet dlouhodobé vzpomínky v mnoha různých situacích chování. Berger a kolegové doufají, že tyto čipy nakonec použijí jako elektronické implantáty pro lidi, jejichž mozky trpí nemocemi, jako je Alzheimerova choroba, které narušují neuronální sítě.

Technologie a lékařské aplikace

Aby mohl začít vyrábět mozkovou protézu, pracoval Berger a jeho spolupracovník Vasilis Marmarelis, biomedicínský inženýr v USC, s hipokampus plátky krys. Vzhledem k tomu, že věděli, že neuronové signály cestují z jedné strany hipokampu na druhou, vyslali vědci náhodné pulsy do hipokampu, zaznamenali signály na konkrétních místech, aby zjistili, jak byly změněny, a poté odvodili rovnice představující změny. Potom tyto rovnice naprogramovali do počítačových čipů.

Dále museli určit, zda lze čip použít jako protézu nebo implantát pro poškozenou oblast v hipokampu. Aby to mohli udělat, museli přijít na to, zda se mohou vyhnout centrální složce dráhy v řezech mozku. Dali do oblasti elektrody, které přenášely elektrické impulsy na externí čip. Čip poté provedl transformace, které se normálně provádějí v hipokampu, a další elektrody posílaly signály zpět do části mozku.

Kódy paměti

V roce 1996 studoval Dr. Sam A. Deadwyler z Wake Forest Baptist Medical Center ve Winston-Salem v Severní Karolíně vzory aktivity sbírek hipokampálních neuronů, zatímco krysy prováděly úkol vyžadující krátkodobou paměť. Tyto „soubory“ nebo sbírky neuronů vystřelené v různých vzorcích jak v čase, tak v „prostoru“ (v tomto případě se vesmír odkazoval na různé neurony distribuované po celém hipokampu) v závislosti na typu chování požadovaného v úkolu. Ještě důležitější je, že Deadwyler a jeho kolegové mohli identifikovat vzorce, které jasně rozlišovaly mezi různými podněty v úkolu, včetně polohy (podobně jako u umisťování buněk), behaviorálních odpovědí a jaké části úkolu došlo. Analýzy založené pouze na aktivitě neurálního souboru bez sledování těchto proměnných mohly identifikovat a dokonce „předpovědět“ některé z těchto proměnných ještě předtím, než k nim došlo.[6] Ve skutečnosti by vzory dokonce identifikovaly, kdy se krysa chystá udělat chybu v úkolu.[7] Během následujících deseti let Deadwylerova laboratoř zdokonalila analýzu, aby identifikovala „kódy“, a zlepšila schopnost předpovídat správné a chybové reakce, dokonce do té míry, že je schopna nechat netrénované krysy provádět paměťový úkol pomocí hipokampální stimulace s kódy získanými z plně trénované krysy.[8] Objev paměťových kódů v hipokampu vedl Deadwylera k tomu, aby se spojil s Bergerem ohledně budoucích studií, v nichž by Bergerův tým vyvinul modely paměťové funkce v hipokampu, a Deadwylerův tým by tyto modely testoval na potkanech a opicích a nakonec se přesunul do lidských studií.

Zkoušky na krysách a opicích

Při přechodu na bdělé a chované zvíře se Berger spojil s Deadwylerem a Dr. Robert E. Hampson Wake Forest k testování prototypu paměťové protézy připojené k mozku krysy a opice pomocí elektrod k analýze informací stejně jako skutečný hipokamp. Protetický model umožňoval i poškozenému hipokampu generovat nové vzpomínky. V jedné ukázce Deadwyler a Hampson narušili schopnost krys vytvářet si dlouhodobé vzpomínky používáním farmakologické látky. Ty narušily nervové obvody, které přenášejí zprávy mezi dvěma podoblastmi hipokampu. Tyto podoblasti, CA1 a CA3, interagují a vytvářejí dlouhodobé vzpomínky. Krysy si nedokázaly vzpomenout, jakou páku potřebovaly zatáhnout, aby získaly odměnu. Vědci poté vyvinuli umělý hipokampus, který by mohl duplikovat vzor interakce mezi interakcemi CA3-CA1 analýzou nervových špiček v buňkách pomocí pole elektrod, a poté přehrát stejný vzor na stejném poli. Po stimulaci hipokampů krysy pomocí matematického modelu protézy se jejich schopnost identifikovat správnou páku k tažení dramaticky zlepšila. Tento umělý hipokampus hrál významnou roli ve vývojové fázi paměťové protetiky, protože dále ukázal, že pokud by byla protetická pomůcka a její přidružené elektrody implantovány do zvířat s nefunkčním hipokampem, mohlo by toto zařízení potenciálně obnovit paměťovou schopnost normální krysy.[9]

Cíle do budoucna

Výzkumné týmy v USC a Wake Forest pracují na tom, aby byl tento systém použitelný pro lidi, jejichž mozek je poškozen Alzheimerova choroba, mrtvice nebo zranění, narušení neuronových sítí často zastaví vytváření dlouhodobých vzpomínek. Systém navržený Bergerem a implementovaný Deadwylerem a Hampsonem umožňuje zpracování signálu, které by se přirozeně vyskytovalo v nepoškozených neuronech. Nakonec doufají, že obnoví schopnost vytvářet dlouhodobé vzpomínky implantováním takových čipů do mozku.[10]

Nedávný vývoj

Theodore Berger a jeho kolegové z University of Southern California v Los Angeles vyvinuli funkční hipokampální protézu, která v roce 2004 prošla testem živé tkáně v řezech mozkové tkáně.[11] V roce 2011 ve spolupráci s Dr. Sam A. Deadwyler a Robert E. Hampson ve zdravotnickém středisku Wake Forest Baptist Medical Center úspěšně otestovala hipokampální protézu probuzenou a chovanou u krys.[12] Protéza byla ve formě multisite elektrod umístěných tak, aby zaznamenávaly ze vstupní i výstupní „strany“ poškozeného hipokampu, vstup je shromažďován a analyzován externími výpočetními čipy, je vypočítána vhodná zpětná vazba a poté použita ke stimulaci příslušného výstupu vzor v mozku, takže protéza fungovala jako skutečný hipokamp.[13] V roce 2012 tým testoval další implementaci v prefrontální kůře makaků,[14] další vývoj technologie neurální protézy. V roce 2013 Hampson et al. úspěšně testoval hipokampální protézu na subhumánních primátech.[15] I když zařízení ještě nespočívá v plně implantovatelném „čipu“, tyto testy, od potkana po opici, demonstrují účinnost zařízení jako nervové protézy a podporují aplikaci na lidské pokusy.[16]

Důkaz konceptu lidské protézy hipokampu

V roce 2018 tým vedl o Robert E. Hampson ve Wake Forest Baptist Medical, včetně Bergera a Deadwylera, se stali prvními, kdo prokázali účinnost protetického modelu u lidských pacientů. Subjekty podstoupily implantaci elektrod do mozku ve Wake Forest jako součást lékařského diagnostického postupu pro epilepsii. Zatímco v nemocnici se pacienti s elektrodami v hipokampu přihlásili k provedení paměťové úlohy na počítači, zatímco byla zaznamenána nervová aktivita hipokampu, aby Berger a jeho tým v týmu USC přizpůsobili hipokampální protetický model pro tohoto pacienta. S modelem v ruce dokázal tým Wake Forest prokázat až 37% zlepšení funkce paměti u pacientů s poruchou paměti. Zlepšení bylo prokázáno u vzpomínek až 75 minut po stimulaci hipokampálním protetickým modelem.[17] Od roku 2018 jsou plánovány studie, které testují paměťové kódy pro další atributy a vlastnosti položek, které si mají pamatovat, a dobu trvání usnadnění paměti přesahující 24 hodin.

Viz také

Reference

  1. ^ Campbell NA. Biologie (Éditions du Renouveau Pédagogique Incs ed.). str. 114.
  2. ^ Bailey R. „Hippocampus and Memory“. ThoughtCo.
  3. ^ Seymour JP, Kipke DR (září 2007). "Návrh neurální sondy pro snížení zapouzdření tkáně v CNS". Biomateriály. 28 (25): 3594–607. doi:10.1016 / j.biomaterials.2007.03.024. PMID  17517431.
  4. ^ A b C d Berger TW, Brinton RD, Marmarelis VZ, Sheu BJ, Tanguay AR (2005). „Mozkem implantovatelná biomimetická elektronika jako neurální protéza pro hipokampální paměťovou funkci.“. Směrem k náhradním dílům pro mozek: implantovatelná biomimetická elektronika jako neurální protézy. Cambridge: MIT Press. ISBN  978-0-262-02577-5.
  5. ^ Rowe DG (12. března 2003). „Odhalena první mozková protéza na světě“. Nový vědec.
  6. ^ Deadwyler SA, Bunn T, Hampson RE (leden 1996). „Činnost hipokampálního souboru během prostorového výkonu se zpožděním-neodpovídáním vzorku u potkanů“. The Journal of Neuroscience. 16 (1): 354–72. doi:10.1523 / JNEUROSCI.16-01-00354.1996. PMC  6578714. PMID  8613802.
  7. ^ Hampson RE, Deadwyler SA (listopad 1996). „Kódy souboru zahrnující hipokampální neurony jsou během testů opožděného výkonu ohroženy“. Sborník Národní akademie věd Spojených států amerických. 93 (24): 13487–93. Bibcode:1996PNAS ... 9313487H. doi:10.1073 / pnas.93.24.13487. PMC  33635. PMID  8942961.
  8. ^ Deadwyler SA, Berger TW, Sweatt AJ, Song D, Chan RH, Opris I, Gerhardt GA, Marmarelis VZ, Hampson RE (2013). "Vylepšení paměti dárcem / příjemcem v hipokampu krysy". Frontiers in Systems Neuroscience. 7: 120. doi:10.3389 / fnsys.2013.00120. PMC  3872745. PMID  24421759.
  9. ^ Angelica A (17. června 2013). „Elektronický hipokampální systém zapíná a vypíná dlouhodobou paměť, zlepšuje poznání“. Kurzweil AI.
  10. ^ Cohen J (23. dubna 2013). "Paměťové implantáty". Recenze technologie MIT.
  11. ^ Phillips H (25. října 2004). „Protéza mozku prošla testem živé tkáně“. Nový vědec.
  12. ^ Berger TW, Hampson RE, Song D, Goonawardena A, Marmarelis VZ, Deadwyler SA (srpen 2011). „Kortikální nervová protéza pro obnovení a zlepšení paměti“. Journal of Neural Engineering. 8 (4): 046017. Bibcode:2011JNEng ... 8d6017B. doi:10.1088/1741-2560/8/4/046017. PMC  3141091. PMID  21677369.
  13. ^ Locklear F (12. března 2003). „Hippocampus on a chip“. Ars Technica.
  14. ^ Hampson RE, Gerhardt GA, Marmarelis V, Song D, Opris I, Santos L, Berger TW, Deadwyler SA (říjen 2012). „Usnadnění a obnovení kognitivních funkcí v prefrontální kůře primátů neuroprostézou, která využívá neuronovou střelu specifickou pro minikolomu“. Journal of Neural Engineering. 9 (5): 056012. Bibcode:2012JNEng ... 9e6012H. doi:10.1088/1741-2560/9/5/056012. PMC  3505670. PMID  22976769.
  15. ^ Hampson RE, Song D, Opris I, Santos LM, Shin DC, Gerhardt GA, Marmarelis VZ, Berger TW, Deadwyler SA (prosinec 2013). „Usnadnění kódování paměti v hipokampu primátů neuroprostézou, která podporuje neurální střelbu specifickou pro daný úkol“. Journal of Neural Engineering. 10 (6): 066013. Bibcode:2013JNEng..10f6013H. doi:10.1088/1741-2560/10/6/066013. PMC  3919468. PMID  24216292.
  16. ^ Acey M (8. května 2013). „Mozkové implantáty: Obnova paměti pomocí mikročipu“. CNN.
  17. ^ Hampson RE, Song D, Robinson BS, Fetterhoff D, Dakos AS, Roeder BM a kol. (Červen 2018). „Vývoj hipokampální nervové protézy pro usnadnění kódování a vyvolání lidské paměti“. Journal of Neural Engineering. 15 (3): 036014. Bibcode:2018JNEng..15c6014H. doi:10.1088 / 1741-2552 / aaaed7. PMC  6576290. PMID  29589592.

externí odkazy