Neurotrofní elektroda - Neurotrophic electrode

A
Neurotrofní elektroda: teflonem potažené zlaté dráty vyčnívají ze zadní části skleněného kuželu, zatímco neurity (zobrazené modře) skrz něj rostou.

The neurotrofní elektroda je nitrokortikální zařízení určené ke čtení elektrických signálů, které mozek používá ke zpracování informací. Skládá se z malého dutého skleněného kužele připojeného k několika elektricky vodivým zlatým drátům. Termín neurotrofní znamená „vztahující se k výživě a údržbě nervové tkáně“ a název zařízení je odvozen od skutečnosti, že je potažen Matrigel a nervový růstový faktor podporovat expanzi neurity přes jeho hrot.[1] To bylo vynalezeno neurologem Dr. Philipem Kennedym a bylo úspěšně poprvé implantováno lidskému pacientovi v roce 1996 neurochirurgem Royem Bakayem.[2]

Pozadí

Motivace pro rozvoj

Oběti syndrom uzamčení jsou kognitivně neporušeni a jsou si vědomi svého okolí, ale nemohou se hýbat ani komunikovat kvůli téměř úplné paralýze dobrovolných svalů. V raných pokusech vrátit těmto pacientům určitý stupeň kontroly použili vědci kortikální signály získané s elektroencefalografie (EEG) k ovládání kurzoru myši. EEG však postrádá rychlost a přesnost, které lze dosáhnout použitím přímého kortikálního rozhraní.[3]

Pacienti s jinými motorickými chorobami, jako např Amyotrofní laterální skleróza a dětská mozková obrna Stejně jako ti, kteří utrpěli těžkou mrtvici nebo poranění míchy, mohou také těžit z implantovaných elektrod. Kortikální signály lze použít k ovládání robotických končetin, takže jak se technologie zdokonaluje a rizika postupu se snižují, přímé amputace mohou dokonce poskytnout pomoc po amputaci.[4]

Vývoj designu

Když doktor Kennedy navrhoval elektrodu, věděl, že potřebuje zařízení, které bude bezdrátové, biologicky kompatibilní a schopné chronické implantace. Počáteční studie s opicemi a krysami rhesus prokázaly, že neurotrofní elektroda byla schopná chronické implantace po dobu až 14 měsíců (pokusy na lidech by později prokázaly ještě větší odolnost).[5] Tato dlouhověkost byla pro studie neocenitelná, protože zatímco opice byly cvičeny na úkolu, neurony, které byly zpočátku tiché, začaly střílet, když se úkol naučil, což je jev, který by nebyl pozorovatelný, kdyby elektroda nebyla schopna dlouhodobé implantace.[1]

Součásti

Skleněný kužel

Skleněný kužel je dlouhý pouze 1–2 mm a je vyplněn trofické faktory aby povzbudil axony a dendrity, aby prorůstaly jeho špičkou a dutým tělem. Když neurity dosáhnou na zadní konec kužele, znovu se připojí k neuropil na té straně, která ukotví skleněný kužel na místě. Díky tomu je dosažitelný stabilní a robustní dlouhodobý záznam.[6] Kužel sedí špičkou poblíž vrstvy pět kůry kortikospinální trakt tělesa buněk a je vložen pod úhlem 45 ° od povrchu, asi 5 nebo 6 mm hluboko.[7]

Zlaté dráty

Tři nebo čtyři zlaté dráty jsou nalepeny na vnitřní straně skleněného kuželu a vyčnívají ven. Zaznamenávají elektrickou aktivitu axonů, které rostly kuželem a jsou izolovány Teflon. Dráty jsou stočeny tak, aby zmírňovaly napětí, protože jsou na jednom konci zapuštěny do kůry a na druhém jsou připojeny k zesilovačům, které jsou připevněny k vnitřní straně lebky. Do každého zesilovače jsou zapojeny dva vodiče diferenciální signalizace.[7]

Bezdrátový vysílač

Jednou z největších sil neurotrofní elektrody je její bezdrátová schopnost, protože bez transdermálního vedení je riziko infekce významně sníženo. Jak jsou nervové signály sbírány elektrodami, putují nahoru zlatými dráty a skrz lebku, kde jsou předávány do biologické zesilovače (obvykle implementováno diferenciální zesilovače ). Zesílené signály jsou odesílány přes přepínač do a vysílač, kde jsou převedeny na signály FM a vysílány pomocí antény. Zesilovače a vysílače jsou napájeny 1 MHz indukce signál, který je opraveno a filtrováno. Anténa, zesilovače, analogové přepínače a vysílače FM jsou standardem deska plošných spojů pro povrchovou montáž který sedí těsně pod pokožkou hlavy. Celý soubor je potažen ochrannými gely, Parylen, Elvax a Silastic, aby byla biokompatibilní a chránila elektroniku před tekutinami.[7]

Systém sběru dat

Na vnější straně pokožky hlavy leží příslušná indukční cívka a anténa, která vysílá FM signál do přijímač. Tato zařízení jsou dočasně držena na místě pomocí pasty rozpustné ve vodě. Přijímač demoduluje signál a odešle jej do počítače třídění hrotů a záznam dat.[7]

Shromáždění

Většina neurotrofní elektrody se vyrábí ručně. Zlaté dráty jsou nařezány na správnou délku, stočeny a poté ohnuty do úhlu 45 ° těsně nad bodem kontaktu s kuželem, aby se omezila hloubka implantace. Přidá se ještě jeden ohyb v opačném směru, kde dráty procházejí lebkou. Špičky jsou zbaveny teflonového povlaku a ty nejvzdálenější od kuželu jsou připájeny a poté utěsněny dentálním akrylem na konektor součásti. Skleněný kužel se vyrábí zahřátím a zatažením skleněné tyčinky do bodu a následným odříznutím špičky v požadované délce. Druhý konec není přímého řezu, ale je vyřezán pod určitým úhlem, aby poskytl polici, na kterou lze připojit zlaté dráty. Dráty se poté umístí na polici a methylmethakrylát gelové lepidlo se nanáší v několika vrstvách, přičemž je třeba dbát na to, aby nedošlo k zakrytí vodivých špiček. Nakonec je zařízení sterilizováno pomocí glutaraldehyd plyn při nízké teplotě a provzdušňován.[7]

Implementace

Ovládání počítačového kurzoru

Jeden z pacientů Dr. Kennedyho, Johnny Ray, se mohl naučit ovládat počítačový kurzor neurotrofní elektrodou. Tři odlišné neurální signály ze zařízení byly korelovány s pohybem kurzoru podél osy x, podél osy y a funkcí „select“. Pohyb v daném směru byl spuštěn zvýšením rychlosti vypalování neuronů na přidruženém kanálu.[3]

Syntéza řeči

Neurální signály vyvolané dalším pacientem Dr. Kennedyho byly použity k formulování zvuků samohlásek pomocí syntetizátoru řeči v reálném čase. Nastavení elektroniky bylo velmi podobné nastavení použitému pro kurzor, s přidáním neurálního dekodéru po přijímači a samotného syntetizátoru. Vědci implantovali elektrodu do oblasti motorické kůry spojené s pohybem řečových artikulátorů, protože před operací fMRI sken indikoval vysokou aktivitu během úlohy pojmenování obrázků. Průměrné zpoždění od výstupu nervů po výstup syntetizátoru bylo 50 ms, což je přibližně stejné jako zpoždění pro neporušenou biologickou cestu.[8]

Srovnání s jinými metodami záznamu

Neurotrofická elektroda, jak je popsáno výše, je bezdrátovým zařízením a přenáší své signály transkutánně. Kromě toho prokázal u člověka pacienta životnost přes čtyři roky, protože každá součást je úplně biologicky kompatibilní. Je však omezen množstvím informací, které může poskytnout, protože elektronika, kterou používá k přenosu svého signálu, vyžaduje tolik prostoru na pokožce hlavy, že se na lidskou lebku vejdou jen čtyři.[2]

Případně Utahské pole je v současné době kabelové zařízení, ale přenáší více informací. Implantuje se člověku déle než dva roky a skládá se ze 100 vodivých křemíkových jehelných elektrod, takže má vysoké rozlišení a může nahrávat z mnoha jednotlivých neuronů.[9]

V jednom experimentu upravil Dr. Kennedy neurotrofní elektrodu na čtení místní polní potenciály (LFP). Ukázal, že jsou schopni ovládat zařízení s pomocnou technologií, což naznačuje, že k obnovení funkčnosti uzamčených pacientů lze použít méně invazivní techniky. Studie se však nezabývala možným stupněm kontroly u LFP ani formálním srovnáním mezi LFP a aktivitou jedné jednotky.[10]

Elektroencefalografie (EEG) zahrnuje umístění mnoha povrchových elektrod na pokožku hlavy pacienta ve snaze zaznamenat souhrnnou aktivitu desítek tisíc až milionů neuronů. EEG má potenciál pro dlouhodobé použití jako a rozhraní mozek-počítač, protože elektrody lze držet na pokožce hlavy neomezeně dlouho. Časová a prostorová rozlišení a poměry signálu k šumu EEG vždy zaostávaly za srovnatelnými intrakortikálními zařízeními, ale má tu výhodu, že nevyžaduje chirurgický zákrok.[9]

Elektrokortikografie (ECoG) zaznamenává kumulativní aktivitu stovek až tisíců neuronů pomocí listu elektrod umístěných přímo na povrchu mozku. Kromě nutnosti chirurgického zákroku a nízkého rozlišení je zařízení ECoG zapojeno, což znamená, že pokožku hlavy nelze úplně uzavřít, což zvyšuje riziko infekce. Vědci zkoumající ECoG však tvrdí, že mřížka „má vlastnosti vhodné pro dlouhodobou implantaci“.[9]

Nevýhody

Zpoždění aktivace

Neurotrofická elektroda není aktivní okamžitě po implantaci, protože axony musí dorůst do kužele, než zařízení může zachytit elektrické signály. Studie ukázaly, že růst tkáně je z velké části dokončen již jeden měsíc po zákroku, ale stabilizace trvá až čtyři měsíce.[1]

Chirurgická rizika

Rizika spojená s implantací jsou ta, která jsou obvykle spojena s chirurgickým zákrokem na mozku, konkrétně možnost krvácení, infekce, záchvatů, mozkové mrtvice a poškození mozku. Dokud technologie nepokročí natolik, že se tato rizika výrazně sníží, bude postup vyhrazen pro extrémní nebo experimentální případy.[2]

Selhání zařízení

Když byl v roce 1998 implantován Johnny Ray, jedna z neurotrofních elektrod začala poskytovat přerušovaný signál poté, co se zakotvila v neuropilu, a v důsledku toho byl Dr. Kennedy nucen spoléhat se na zbývající zařízení.[3] Proto, i když z chirurgického zákroku nevzniknou žádné komplikace, stále existuje možnost, že elektronika selže. Navíc, zatímco samotné implantáty jsou uzavřeny v lebce, a jsou tedy relativně bezpečné před fyzickým poškozením, elektronika na vnější straně lebky je zranitelná. Dva z pacientů Dr. Kennedyho omylem způsobili poškození během křečí, ale v obou případech bylo nutné vyměnit pouze externí zařízení.[7]

Budoucí aplikace

Neuroprostetika

Od listopadu 2010 pracuje Dr. Kennedy na aplikaci elektrody pro syntézu řeči, ale plánuje rozšířit její využití do mnoha různých oblastí, z nichž jednou je obnova pohybu pomocí neuroprostetika.[2]

Tichá řeč

Tichá řeč je „zpracování řeči za nepřítomnosti srozumitelného akustického signálu“, které se používá buď jako pomůcka pro osoby s postižením řeči, nebo ke komunikaci v oblastech s požadovaným tichem nebo vysokým hlukem v pozadí. Jedním z navrhovaných budoucích použití neurotrofní elektrody a rozhraní mozku a počítače obecně je umožnit tichou řeč dekódováním nervových signálů „mluvčího“ a přenosem zvukového výstupu do sluchátek, která nosí zamýšlený posluchač. Standardní výhody a nevýhody invazivních a neinvazivních rozhraní stále platí.[11] Avšak pro tuto konkrétní aplikaci má neurotrofní elektroda výhodu v tom, že se již ukázala jako účinná pro obnovení komunikace s postiženými pacienty.[8]

Reference

  1. ^ A b C Kennedy, P. R., & Bakay, R. A. E. (1997). Aktivita potenciálů jediné akce v opičí motorické kůře během učení dlouhodobých úkolů. Brain Research, 760 (1-2), 251-254.
  2. ^ A b C d Rozhovor s Dr. Kennedym, hlavním vědeckým pracovníkem společnosti Neural Signals, Inc., 30. 9. 2010
  3. ^ A b C Kennedy, P. R., Bakay, R. A. E., Moore, M. M., Adams, K., & Goldwaithe, J. (2000). Přímé ovládání počítače z lidského centrálního nervového systému. [Článek]. Transakce IEEE na rehabilitačním inženýrství, 8 (2), 198-202.
  4. ^ Lebedev, M. A., a Nicolelis, M. A. L. (2006). Rozhraní mozek-stroj: minulost, přítomnost a budoucnost. [Posouzení]. Trends in Neurosciences, 29 (9), 536-546.
  5. ^ Kennedy, P. R., Mirra, S. S., & Bakay, R. A. E. (1992). KUŽELOVÁ ELEKTRODA - ULTRASTRUKTURÁLNÍ STUDIE NÁSLEDUJÍCÍ DLOUHODOBÉ ZÁZNAMY V RATOVÉM A MONKEY CORTEXU. [Článek]. Neuroscience Letters, 142 (1), 89-94.
  6. ^ Kennedy, P. R. (1989). KUŽELOVÁ ELEKTRODA - DLOUHODOBÁ ELEKTRODA, KTERÁ ZÁZNAMU NEURITŮ RŮSTE NA JEJICH ZÁZNAMOVÝ POVRCH. [Článek]. Journal of Neuroscience Methods, 29 (3), 181-193.
  7. ^ A b C d E F Bartels, J., Andreasen, D., Ehirim, P., Mao, H., Seibert, S., Wright, E. J. a kol. (2008). Neurotrofní elektroda: Metoda montáže a implantace do lidské motorické řečové kůry. [Článek]. Journal of Neuroscience Methods, 174 (2), 168-176.
  8. ^ A b Guenther, F. H., Brumberg, J. S., Wright, E. J., Nieto-Castanon, A., Tourville, J. A., Panko, M. a kol. (2009). Bezdrátové rozhraní Brain-Machine pro syntézu řeči v reálném čase. PLoS ONE, 4 (12).
  9. ^ A b C Brumberg, J. S., Nieto-Castanon, A., Kennedy, P. R., & Guenther, F. H. (2010). Rozhraní mozek-počítač pro řečovou komunikaci. Speech Communication, 52 (4), 367-379.
  10. ^ Kennedy, P. R., Kirby, M. T., Moore, M. M., King, B., & Mallory, A. (2004). Počítačové ovládání pomocí lidských intrakortikálních lokálních potenciálů pole. [Článek]. Transakce IEEE na neuronových systémech a rehabilitačním inženýrství, 12 (3), 339-344.
  11. ^ Denby, B., Schultz, T., Honda, K., Hueber, T., Gilbert, J. M., & Brumberg, J. S. (2010). Tichá řečová rozhraní. [Článek]. Speech Communication, 52 (4), 270-287.