Kortikal implant - Cortical implant

Bir kortikal implant alt kümesidir nöroprotetik ile doğrudan bağlantılı olan beyin zarı of beyin. Kortikal implant, korteksin farklı bölgeleri ile doğrudan arayüz oluşturarak, yakın bir bölgeye stimülasyon sağlayabilir ve tasarımına ve yerleşimine bağlı olarak farklı faydalar sağlayabilir. Tipik bir kortikal implant, implante edilebilir mikroelektrot dizisi bir sinir sinyalinin alınabildiği veya iletilebildiği küçük bir cihazdır.

Bir kortikal implantın ve genel olarak nöroprotetiğin amacı, "beyindeki artık uygun şekilde çalışmayan sinir devrelerini değiştirmektir."[1]

Genel Bakış

Kortikal implantlar, görmeyi eski haline getirmekten kör hastalara veya muzdarip hastalara yardım etmeye kadar geniş bir potansiyel kullanım alanına sahiptir. demans. Beynin karmaşıklığıyla, bunlar için olasılıklar beyin implantları kullanışlılıklarını genişletmek neredeyse sonsuzdur. Kortikal implantlardaki bazı erken çalışmalar, silikon kauçuktan yapılmış implantlar kullanılarak görsel korteksin uyarılmasını içeriyordu.[2] O zamandan beri, implantlar yeni polimerler kullanılarak daha karmaşık cihazlara dönüştü. poliimid. Kortikal implantların beyinle etkileşime girmesinin iki yolu vardır: intrakortikal (doğrudan) veya epikortik (dolaylı) olarak.[3] İntrakortikal implantlarda beyne nüfuz eden elektrotlar bulunurken, epikortikal implantlarda yüzey boyunca uyarılan elektrotlar bulunur. Epikortikal implantlar esas olarak etraflarındaki alan potansiyellerini kaydeder ve genellikle intrakortikal muadillerine kıyasla daha esnektir. İntrakortikal implantlar beynin derinliklerine indiğinden, daha sert bir elektrot gerektirirler.[2] Bununla birlikte, beyindeki mikro hareket nedeniyle, beyin dokusunun zarar görmesini önlemek için bir miktar esneklik gereklidir.

Görsel implantlar

Bazı kortikal implant türleri, doğrudan doğruya uyararak görüşü kısmen geri yükleyebilir. görsel korteks.[4] Kortikal uyarım yoluyla görmeyi eski haline getirmeye yönelik erken çalışmalar, Brindley ve Dobelle'nin çalışmasıyla 1970 yılında başladı. İlk deneyleriyle, bazı hastalar oldukça yakın mesafelerde küçük görüntüleri tanıyabildiler. İlk implantları görsel korteksin yüzeyine dayanıyordu ve çevreleyen dokulara zararın ek bir dezavantajı ile yapabileceği kadar net görüntüler sağlamıyordu. "Utah" Elektrot Dizisi gibi daha yeni modeller, hipotetik olarak daha az güce ihtiyaç duyan daha yüksek çözünürlüklü görüntüler sağlayacak ve böylece daha az hasara neden olacak daha derin kortikal stimülasyon kullanır. Bu yapay görme yönteminin diğerlerine göre en büyük faydalarından biri görsel protez görme yolunun hasar görebilecek birçok nöronunu atlayarak, daha fazla sayıda kör hastaya görme potansiyelini geri kazandırmasıdır.[4]

Bununla birlikte, görsel korteksin doğrudan uyarılmasıyla birlikte gelen bazı sorunlar vardır. Tüm implantlarda olduğu gibi, varlıklarının uzun süreler üzerindeki etkisi izlenmelidir. Birkaç yıl sonra bir implantın çıkarılması veya yeniden konumlandırılması gerekirse, komplikasyonlar ortaya çıkabilir. Görsel korteks, yapay görmenin mümkün olduğu diğer alanlardan çok daha karmaşık ve başa çıkması zordur. retina veya optik sinir. Görme alanı, görsel korteks dışındaki farklı yerlerde işlenmesi çok daha kolaydır. Ek olarak, korteksin her alanı, görmenin farklı yönleriyle başa çıkmak için uzmanlaşmıştır, bu nedenle basit doğrudan stimülasyon, hastalara tam görüntüler sağlamayacaktır. Son olarak, beyin implantlarıyla ilgili cerrahi operasyonlar hastalar için son derece yüksek risklidir, bu nedenle araştırmanın daha da geliştirilmesi gerekmektedir. Bununla birlikte, kortikal görsel protezler, tamamen hasar görmüş retinası, optik siniri veya lateral genikulat gövdesi olan kişiler için önemlidir, çünkü vizyonlarını eski haline getirebilmelerinin tek yoludur, bu nedenle daha fazla gelişmenin araştırılması gerekecektir. .[4]

İşitsel implantlar

Etkili bir işitme protezinin geliştirilmesinde çok az gelişme olmasına rağmen, Işitsel korteks gibi bazı cihazlar vardır. işitsel beyin sapı implantı ve bir koklear implant sağır hastalara işitme duyusunu geri kazandırmada başarılı olmuştur. Hayvanlarda işitme korteksinden okumalar almak için mikroelektrot dizilerini kullanan bazı çalışmalar da yapılmıştır. Hem işitme korteksinden hem de işitme korteksinden eşzamanlı okumaları mümkün kılan bir implant geliştirmek için fareler üzerinde bir çalışma yapılmıştır. talamus. Bu yeni mikroelektrot dizisinden gelen okumalar, aynı eşzamanlı okumaları sağlamayan diğer kolayca temin edilebilen cihazlara netlik açısından benzerdi.[5] Bu tür çalışmalarla yeni işitsel protezlere yol açabilecek gelişmeler sağlanabilir.

Bilişsel implantlar

Bazı kortikal implantlar bilişsel işlevi iyileştirmek için tasarlanmıştır. Bu implantlar Prefrontal korteks ya da hipokamp. Prefrontal korteksteki implantlar, sinir ateşlemelerinin mini sütun organizasyonunu kopyalayarak dikkatin, karar vermenin ve hareket seçiminin yeniden sağlanmasına yardımcı olur.[6] Bir hipokampal protez, bir hastanın tümünün restorasyonuna yardımcı olmayı amaçlamaktadır. uzun süreli hafıza yetenekleri. Araştırmacılar, beynin hipokampustaki farklı hatıraları nasıl kodladığını bularak hafızanın sinirsel temelini belirlemeye çalışıyorlar.

Bir hasta fare işaretçisini hareket ettirmeyi düşünüyor. Beyin-bilgisayar arayüzü bu düşünceyi alır ve ekrana aktarır

Beynin doğal kodlamasını elektriksel uyarımla taklit ederek, araştırmacılar risk altındaki hipokampal bölgeleri değiştirmeye ve işlevi geri kazanmaya çalışıyorlar.[7] Bilişi etkileyen çeşitli durumların tedavisi inme, Alzheimer hastalığı ve kafa travması hipokampal protezin geliştirilmesinden faydalanabilir. Epilepsi ayrıca hipokampusun CA3 bölgesindeki disfonksiyonla da bağlantılıdır.[8]

Beyin-bilgisayar arayüzleri

Ana makale: Beyin-bilgisayar arayüzü

Bir Beyin-bilgisayar arayüzü (BCI), bir hastanın beyni ile bir tür harici donanım arasında doğrudan bağlantıya izin veren bir implant türüdür. 1990'ların ortalarından bu yana, hem hayvan hem de insan modellerinde BCI'lar üzerinde yapılan araştırma miktarı katlanarak arttı. Çoğu beyin-bilgisayar arabirimi, bir tür sinirsel sinyal çıkarımı için kullanılırken, bazıları implante edilmiş bir sinyal yoluyla hisleri geri getirmeye çalışır.[3] Sinyal çıkarmanın bir örneği olarak, bir BCI, bir belden aşağısı felçli hastanın beynini kullanın ve bir robotik hareket ettirmek için kullanın protez. Felçli hastalar, bu cihazlardan büyük miktarda fayda görürler çünkü hastaya kontrolün geri dönmesine izin verirler. Beyin-bilgisayar arayüzleri için yapılan güncel araştırmalar, beynin hangi bölgelerinin bir birey tarafından manipüle edilebileceğini belirlemeye odaklanmıştır. Araştırmaların çoğu, sensorimotor Beynin bölgesi, cihazları sürmek için hayali motor eylemleri kullanarak, bazı çalışmalar ise bilişsel kontrol ağı implantasyonlar için uygun bir yer olacaktır. Bu bölge "açık niyetler veya görevler hizmetinde zihinsel süreçleri koordine eden" nöronal bir ağdır, cihazı hayali hareketten ziyade niyetle yönlendirir. [9] İmplante edilmiş bir sinyal aracılığıyla duyu geri getirmenin bir örneği, protez bir uzuv için dokunsal bir yanıt geliştirmek olabilir. Ampütelerin yapay uzuvlarda dokunma yanıtı yoktur, ancak somatosensoriyel korteks potansiyel olarak onlara yapay bir dokunma hissi verebilir.

Bir beyin-bilgisayar arayüzü; bir mikroelektrot dizisi; beyin-bilgisayar arayüzü kullanan hasta

Beyin-bilgisayar arayüzünün güncel bir örneği, BrainGate tarafından geliştirilen bir cihaz Siberkinetik. Bu BCI, şu anda Mayıs 2009 itibariyle ikinci bir klinik denemeden geçiyor. Daha önceki bir araştırma, şiddetli bir hastalığı olan bir hastayı içeriyordu. omurilik yaralanması, hiçbir uzvunu kontrol edemiyor. Bir bilgisayar faresini sadece düşüncelerle çalıştırmayı başardı. Bir robotik kolu kontrol etmek gibi daha karmaşık arayüzlere izin veren daha fazla geliştirme yapılmıştır.

Avantajlar

Belki de kortikal implantların diğer nöroprotezlere göre sahip olduğu en büyük avantajlardan biri, korteks ile doğrudan arayüz oluşturmasıdır. Hasarlı dokuları baypas etmek görsel yol daha geniş bir tedavi edilebilir hasta yelpazesine izin verir. Bu implantlar ayrıca korteksteki hasarlı dokular için bir yedek görevi görebilir. In fikri biyomimikri implantın sinyaller için alternatif bir yol görevi görmesine izin verir.

Dezavantajları

Doğrudan kortekse bağlı herhangi bir implanta sahip olmak bazı sorunları beraberinde getirir. Kortikal implantlarla ilgili önemli bir sorun, biyouyumluluk veya vücudun yabancı bir nesneye nasıl tepki vereceği. Vücut implantı reddederse, implant hasta için bir fayda değil, daha fazla zarar olacaktır. Biyouyumluluğa ek olarak, implant yerleştirildikten sonra vücut, implantı işe yaramaz hale getirerek uzun bir süre boyunca ona ters bir reaksiyon gösterebilir.[10] İmplante etmek mikroelektrot dizisi çevreleyen dokuya zarar verebilir. Geliştirilmesi yara dokusu Elektrotların etrafı, bazı sinyallerin implantın amaçladığı nöronlara ulaşmasını engelleyebilir. Çoğu mikroelektrot dizisi, en iyi işlevi sağlamak için nöronal hücre gövdelerinin elektrotlara 50 μm mesafede olmasını gerektirir ve çalışmalar, kronik olarak implante edilmiş hayvanların bu aralıkta önemli ölçüde azalmış hücre yoğunluğuna sahip olduğunu göstermiştir.[10] İmplantların neden olduğu gösterilmiştir nörodejenerasyon implantasyon yerinde de.

Sinirsel kodlama kortikal implantların ve özellikle bilişle uğraşan implantların karşılaştığı bir zorluğu temsil eder. Araştırmacılar, beynin farklı anıları nasıl kodladığını belirlemekte zorlandılar. Örneğin, beynin bir sandalyenin hafızasını kodlama biçimi, bir lambayı kodlama biçiminden büyük ölçüde farklıdır. Tam bir anlayışla sinirsel kod Hafızayı daha etkili bir şekilde geliştirebilen bir hipokampal protez geliştirmede daha fazla ilerleme sağlanabilir.

Her hastanın korteksinin benzersizliği nedeniyle, doğrudan implantasyonu içeren prosedürleri standartlaştırmak zordur.[4] Beyinler arasında birçok ortak fiziksel özellik vardır, ancak bir birey girus veya sulkus (nöroanatomi) karşılaştırıldığında farklı olabilir. Bu, her prosedürün benzersiz olmasına ve dolayısıyla gerçekleştirilmesinin daha uzun sürmesine neden olduğu için zorluklara yol açar. Ek olarak, bir mikroelektrot dizisinin amaçlanan etkisinin doğası, bireysel korteks benzersizliği, yani farklılıklar ile bağlantılı olarak sunulan belirtilen varyans nedeniyle sınırlıdır. Günümüz mikroelektrot dizileri de fiziksel boyutları ve ulaşılabilir veri işleme / kapasite oranları nedeniyle kısıtlanmıştır; uyarınca dikte edilen özelliklere göre yönetilmeye devam eden Moore Yasası.

Gelecek gelişmeler

Daha fazla araştırma yapıldıkça, kortikal implantların canlılığını ve kullanılabilirliğini artıracak daha fazla geliştirme yapılacaktır. İmplantların boyutunun küçültülmesi, prosedürlerin daha az karmaşık olmasına ve hacmin azaltılmasına yardımcı olacaktır. Geliştirme yapılırken bu cihazların uzun ömürlülüğü de düşünülmektedir. Yeni implantların geliştirilmesindeki amaç, "insan vücudunun zorlu ortamından kaynaklanan hidrolitik, oksidatif ve enzimatik bozunmayı önlemek veya en azından arayüzün uzun süre çalışmasını sağlayacak şekilde minimuma indirgemek, sonunda değiştirilmeden önce. "[2] Uzatılmış operasyonel ömürlerle, bakım için daha az işlem yapılması gerekecek ve artık nöral implantlar için kullanılabilen polimerlerin miktarı artmış ve daha fazla cihaz çeşitliliğine izin vermiştir. Teknoloji geliştikçe, araştırmacılar elektrotları dizilere daha yoğun bir şekilde yerleştirerek yüksek seçiciliğe izin veriyor.[2] Diğer araştırma alanları, bu cihazlara güç sağlayan pil takımlarıdır. Bu paketlerin genel boyutunu ve hacmini hasta için daha az rahatsız edici hale getirmek için denemek ve azaltmak için çaba gösterildi. Her implantın ihtiyaç duyduğu güç miktarının azaltılması da ilgi çekicidir çünkü bu, implantın yaptığı ısı miktarını azaltacak ve böylece çevre dokulara zarar verme riskini azaltacaktır.

Referanslar

  1. ^ Berger, T. W .; Hampson, R. E .; Şarkı, D .; Goonawardena, A .; Marmarelis, V. Z .; Deadwyler, S.A. (2011). "Hafızayı eski haline getirmek ve güçlendirmek için kortikal sinir protezi". Sinir Mühendisliği Dergisi. 8 (4). doi:10.1088/1741-2560/8/4/046017. PMC  3141091.
  2. ^ a b c d Hassler, C .; Boretius, T .; Stieglitz, T. (2011). "Nöral İmplantlar için Polimerler". Journal of Polymer Science Part B-Polymer Physics. 49 (1): 18–33. doi:10.1002 / polb.22169.
  3. ^ a b Konrad, P .; Shanks, T. (2010). "Yerleştirilebilir beyin bilgisayar arayüzü: Nöroteknoloji tercümesinin zorlukları". Hastalığın Nörobiyolojisi. 38 (3): 369–375. doi:10.1016 / j.nbd.2009.12.007.
  4. ^ a b c d Fernandes, R.A. B .; Diniz, B .; Ribeiro, R .; Humayun, M. (2012). "Nöronal uyarım yoluyla yapay görme". Sinirbilim Mektupları. 519 (2): 122–128. doi:10.1016 / j.neulet.2012.01.063.
  5. ^ McCarthy, P. T .; Rao, M. P .; Otto, K. J. (2011). "Titanyum bazlı, mikrofabrike, mikroelektrot cihazıyla sıçan işitme korteksi ve talamusunun eşzamanlı kaydı". Sinir Mühendisliği Dergisi. 8 (4). doi:10.1088/1741-2560/8/4/046007. PMC  3158991.
  6. ^ Hampson, R. E .; Gerhardt, G. A .; Marmarelis, V .; Şarkı, D .; Opris, I .; Santos, L .; Deadwyler, S.A. (2012). "Primat prefrontal kortekste bilişsel işlevin, minikolona özgü sinir ateşlemesini kullanan bir nöroprotez ile kolaylaştırılması ve eski haline getirilmesi". Sinir Mühendisliği Dergisi. 9 (5). doi:10.1088/1741-2560/9/5/056012. PMC  3505670.
  7. ^ Hampson, R. E .; Şarkı, D .; Chan, R. H. M .; Sweatt, A. J .; Riley, M.R .; Gerhardt, G. A .; Deadwyler, S.A. (2012). "Hipokampal Kognitif Protez için Doğrusal Olmayan Bir Model: Hipokampal Küme Uyarımıyla Hafızanın Kolaylaştırılması". Sinir Sistemleri ve Rehabilitasyon Mühendisliği IEEE İşlemleri. 20 (2): 184–197. doi:10.1109 / tnsre.2012.2189163. PMC  3397311.
  8. ^ Berger, T. W .; Ahuja, A .; Courellis, S. H .; Deadwyler, S. A .; Erinjippurath, G .; Gerhardt, G. A .; Wills, J. (2005). "Kayıp bilişsel işlevi geri yükleme". IEEE Engineering in Medicine and Biology Dergisi. 24 (5): 30–44. doi:10.1109 / memb. 2005.1511498.
  9. ^ Vansteensel, M. J .; Hermes, D .; Aarnoutse, E. J .; Bleichner, M. G .; Schalk, G .; van Rijen, P. C .; Ramsey, N.F. (2010). "Bilişsel Kontrole Dayalı Beyin-Bilgisayar Arayüzü". Nöroloji Yıllıkları. 67 (6): 809–816. doi:10.1002 / ana.21985.
  10. ^ a b Potter, K. A .; Buck, A. C .; Self, W. K .; Capadona, J.R. (2012). "Beyindeki bıçak yaralanması ve cihaz implantasyonu, tersine çok fazlı nöroinflamatuar ve nörodejeneratif yanıtlarla sonuçlanır". Sinir Mühendisliği Dergisi. 9 (4). doi:10.1088/1741-2560/9/4/046020.