Нейроінженерія

Нейронна інженерія (також відома як нейроінженерія) — дисципліна в біомедичній інженерії, яка використовує нейронаучні та інженерні методи й підходи для розуміння, відновлення, заміни, покращення або використання властивостей нейронних систем, а також для розробки рішень для проблем, пов’язаних з неврологічними обмеженнями та дисфункцією.

Нейроінженерія поєднує в собі принципи нейронауки, біології, інженерії та інформатики. Метою нейронної інженерії є розробка нових методів лікування та технологій, які можуть лікувати або пом’якшувати неврологічні та психіатричні розлади, відновлювати або посилювати сенсорні та моторні функції та покращувати взаємодію людини з машиною.

Іноді під терміном "нейроінженерія" мають на увазі інженерію нервової тканини, підрозділ тканинної інженерії.

Огляд

Галузь нейронної інженерії спирається на галузі обчислювальної нейронауки, експериментальної нейронауки, неврології, електротехніки та обробки сигналів живої нервової тканини та охоплює елементи робототехніки, кібернетики, комп’ютерної інженерії, інженерії нервової тканини, матеріалознавства та нанотехнологій .

Основні цілі в цій галузі включають відновлення та посилення функцій людини шляхом прямої взаємодії між нервовою системою та штучними пристроями.

Значна частина поточних досліджень зосереджена на розумінні кодування та обробки інформації в сенсорних і моторних системах, кількісному визначенні того, як ця обробка змінюється в патологічному стані, і як нею можна маніпулювати за допомогою взаємодії зі штучними пристроями, включаючи інтерфейси мозок-комп’ютер і нейропротези.

Інші дослідження більше зосереджені на дослідженні шляхом експерименту, включаючи використання нейронних імплантатів.

Нейрогідродинаміка — це розділ нейронної інженерії, який зосереджується на гідродинаміці неврологічної системи.

Історія

Оскільки нейроінженерія є відносно новою галуззю, інформація та дослідження, пов’язані з нею, порівняно обмежені, хоча це швидко змінюється.

Перші журнали, спеціально присвячені нейроінженерії, The Journal of Neural Engineering та The Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation, обидва вийшли в 2004 році.

Міжнародні конференції з нейронної інженерії проводяться IEEE з 2003 року.

Основи

Основи нейроінженерії включають взаємозв’язок нейронів, нейронних мереж і функцій нервової системи з кількісно визначеними моделями, щоб допомогти розробці пристроїв, які могли б інтерпретувати та контролювати сигнали та виробляти цілеспрямовані реакції.

Нейронаука

Сигнали, які організм використовує на думки, почуття, рухи та виживання загалом, спрямовуються нервовими імпульсами, що передаються через тканини мозку та до решти тіла. Нейрони є основною функціональною одиницею нервової системи та є вузькоспеціалізованими клітинами, які здатні посилати ці сигнали, які виконують функції високого та низького рівня, необхідні для життя. Нейрони мають особливі електрохімічні властивості, які дозволяють їм обробляти інформацію, а потім передавати цю інформацію іншим клітинам. Активність нейронів залежить від потенціалу нервової мембрани та змін, які відбуваються вздовж і впоперек неї. Постійна напруга, відома як мембранний потенціал, зазвичай підтримується певними концентраціями специфічних іонів на мембранах нейронів. Порушення або коливання цієї напруги створюють дисбаланс або поляризацію на мембрані. Деполяризація мембрани, що перевищує її пороговий потенціал, створює потенціал дії, який є основним джерелом передачі сигналу, відомого як нейротрансмісія нервової системи. Потенціал дії призводить до каскаду іонного потоку вниз і через аксональну мембрану, створюючи ефективну серію стрибків напруги або «електричний сигнал», який може передавати подальші електричні зміни в інші клітини. Сигнали можуть генеруватися електричними, хімічними, магнітними, оптичними та іншими формами стимулів, які впливають на потік зарядів і, отже, на рівні напруги на нейронних мембранах.

Інженерія

Інженери використовують кількісні інструменти, які можна використовувати для розуміння та взаємодії зі складними нейронними системами. Методи вивчення та генерування хімічних, електричних, магнітних і оптичних сигналів, що відповідають за потенціали позаклітинного поля та синаптичну передачу в нервовій тканині, допомагають дослідникам у модуляції активності нервової системи.

Щоб зрозуміти властивості активності нейронної системи, інженери використовують методи обробки сигналів і обчислювальне моделювання. Щоб обробити ці сигнали, нейроінженери повинні перетворити напруги на нейронних мембранах у відповідний код, процес, відомий як нейронне кодування. Сфера дослідження нейронного кодування — як мозок кодує прості команди у формі центральних генераторів шаблонів (CPG), векторів руху, внутрішньої моделі мозочка та соматотопічних карт для розуміння рухів і сенсорних явищ.

Для запису цих сигналів напруги використовуються різні методи. Вони можуть бути внутрішньоклітинними або позаклітинними. Позаклітинні методи передбачають одноблокові записи, потенціали позаклітинного поля та амперометрію.

Області застосування

Нейромеханіка

Нейромеханіка — це поєднання нейробіології, біомеханіки та робототехніки. Дослідники використовують передові методи та моделі для вивчення механічних властивостей нервових тканин та їхнього впливу на здатність тканин протистояти й генерувати силу та рухи, а також їхню вразливість до травматичного навантаження. Ця область дослідження зосереджена на перетворенні інформації між нервово-м’язовою та кістковою системами для розробки функцій і керівних правил, що стосуються роботи та організації цих систем. Нейромеханіку можна моделювати шляхом підключення обчислювальних моделей нейронних ланцюгів до моделей тіл тварин, розташованих у віртуальних фізичних світах.

Експериментальний аналіз біомеханіки, включаючи кінематику та динаміку рухів, процес і шаблони моторного та сенсорного зворотного зв’язку під час рухових процесів, а також схему та синаптичну організацію мозку, відповідального за руховий контроль, — усе це зараз досліджується, щоб зрозуміти складність руху тварин. Лабораторія доктора Мішель Лаплака в Технологічному інституті Джорджії бере участь у вивченні механічного розтягування клітинних культур, деформації зсуву планарних клітинних культур і деформації зсуву тривимірних матриць, що містять клітини. Розуміння цих процесів супроводжується розробкою моделей функціонування, здатних характеризувати ці системи в умовах замкнутого циклу зі спеціально визначеними параметрами.

Вивчення нейромеханіки спрямоване на вдосконалення методів лікування фізіологічних проблем зі здоров’ям, що включає оптимізацію конструкції протезів, відновлення рухів після травми, а також проектування та керування мобільними роботами.

Нейромодуляція

Нейромодуляція спрямована на високоточне лікування захворювань або травм нервової системи, шляхом використання технологій медичних пристроїв, які посилюють або пригнічують активність нервової системи, та за допомогою доставки фармацевтичних агентів, електричних сигналів або інших форм енергетичних стимулів для відновлення балансу в ушкоджених областях мозку. Дослідники в цій галузі стикаються з проблемою пов’язати досягнення в розумінні нейронних сигналів з досягненнями в технологіях доставки та аналізу цих сигналів з підвищеною чутливістю, біосумісністю та життєздатністю в схемах замкнутого циклу в мозку, щоб можна було створювати нові методи лікування та клінічні застосування для лікування тих, хто має нервові пошкодження різного роду. Нейромодулятори можуть коригувати дисфункцію нервової системи, пов’язану з хворобою Паркінсона, тремором, хворобою Туретта, хронічним болем, важкою депресією та, зрештою, епілепсією.

Нейромодуляція зосереджена лише на лікуванні дуже специфічних областей мозку, на відміну від системного лікування, яке може мати побічні ефекти на організм. Нейромодуляторні стимулятори, такі як масиви мікроелектродів, можуть стимулювати та записувати функцію мозку, а з подальшими вдосконаленнями мають стати регульованими та чуйними пристроями доставки ліків та інших стимулів.

Нервове відновлення

Основна стаття — Інженерія нервової тканини.

Нейроінженерія та реабілітація застосовує нейронауку та інженерію для дослідження функції периферичної та центральної нервової системи та для пошуку клінічних рішень проблем, спричинених пошкодженням нервової тканини. Нейрорегенеративна інженерія зосереджена на інженерних пристроях і матеріалах, які сприяють відновленню нейронів для конкретних застосувань, таких як регенерація пошкодження периферичних нервів, регенерація тканини спинного мозку при травмі спинного мозку, регенерація тканини сітківки, регенерація нервової тканини мозку.

Генна інженерія та тканинна інженерія є областями, у яких розробляються каркаси для відновлення спинного мозку, які допомагають усунути неврологічні проблеми.

Дослідження та застосування

Нейровізуалізація

Методи нейровізуалізації використовуються для дослідження активності нейронних мереж, а також структури та функції мозку. Технології нейровізуалізації включають функціональну магнітно-резонансну томографію (fMRI), магнітно-резонансну томографію (MRI), позитронно-емісійну томографію (PET) і комп’ютерну аксіальну томографію (CAT). Дослідження функціональної нейровізуалізації мають на меті дізнатись, які ділянки мозку виконують певні завдання. фМРТ вимірює гемодинамічну активність, яка тісно пов'язана з нейронною активністю. Він використовується для відображення метаболічних реакцій у певних областях мозку на задане завдання чи стимул. ПЕТ, КТ сканери та електроенцефалографія (ЕЕГ) в даний час вдосконалюються і використовуються для аналогічних цілей.

Нейронні мережі

Вчені можуть використовувати експериментальні спостереження нейронних систем і теоретичні та обчислювальні моделі цих систем для створення нейронних мереж, сподіваючись моделювати нейронні системи якомога реалістичніше. Нейронні мережі можна використовувати для аналізу, щоб допомогти розробити додаткові нейротехнологічні пристрої. Зокрема, дослідники займаються аналітичним або скінченно-елементним моделюванням, щоб визначити контроль нервової системи за рухами та застосовують ці методи, щоб допомогти пацієнтам із травмами або розладами мозку. Штучні нейронні мережі можуть бути побудовані з теоретичних і обчислювальних моделей і реалізовані на комп’ютерах з теоретичних рівнянь пристроїв або експериментальних результатів спостережуваної поведінки нейронних систем. Моделі можуть представляти динаміку концентрації іонів, кінетику каналів, синаптичну передачу, обчислення одного нейрона, метаболізм кисню або застосування теорії динамічних систем (LaPlaca та ін. 2005). Збірка шаблону на основі рідини була використана для розробки 3D нейронних мереж із засіяних нейронами мікроносіїв.

Нейроінтерфейси

Нейронні інтерфейси є основним елементом, який використовується для вивчення нейронних систем і покращення або заміни нейронних функцій спеціально розробленими пристроями. Перед інженерами стоїть завдання розробити електроди, які можуть вибірково записувати дані, щоб збирати інформацію про діяльність нервової системи та стимулювати певні ділянки нервової тканини для відновлення функції або відчуття цієї тканини (Cullen et al. 2011). Матеріали, які використовуються для цих пристроїв, повинні відповідати механічним властивостям нервової тканини, в яку вони поміщені, і необхідно оцінити пошкодження.

Оптичні нейронні інтерфейси включають оптичні записи та оптогенетику, роблячи певні клітини мозку чутливими до світла, щоб модулювати їхню активність. Волоконну оптику можна імплантувати в мозок, щоб стимулювати або глушити цільові нейрони за допомогою світла, а також реєструвати активність фотонів — проксі нейронної активності — замість використання електродів. Двофотонна мікроскопія збудження може вивчати живі нейронні мережі та комунікаційні події між нейронами.

Інтерфейси мозок–комп’ютер

Інтерфейси «мозок–комп’ютер» прагнуть безпосередньо спілкуватися з нервовою системою людини для моніторингу та стимулювання нейронних ланцюгів, а також для діагностики та лікування внутрішньої неврологічної дисфункції. Глибока стимуляція мозку є значним прогресом у цій галузі, який особливо ефективний у лікуванні рухових розладів, таких як хвороба Паркінсона, завдяки високочастотній стимуляції нервової тканини для придушення тремтіння (Лега та ін. 2011).

Нервові протези

Нейропротези - це пристрої, здатні доповнювати або замінювати відсутні функції нервової системи шляхом стимуляції нервової системи та реєстрації її активності. Електроди, які вимірюють збудження нервів, можуть інтегруватися з протезами та сигналізувати їм про виконання функції, передбаченої переданим сигналом. Сенсорні протези використовують штучні датчики для заміни нейронних даних, які можуть бути відсутні в біологічних джерелах. Для цього потрібен перманентний, безпечний, штучний інтерфейс із нейронною тканиною. Можливо, найуспішнішим із цих сенсорних протезів є кохлеарний імплант, який відновлює слух глухим. Зоровий протез для відновлення зорових можливостей незрячих перебуває ще на більш елементарних стадіях розробки. Рухові протези - це пристрої, пов'язані з електричною стимуляцією біологічної нервово-м'язової системи, яка може замінити механізми управління головного або спинного мозку. Розумні протези можуть бути розроблені для заміни відсутніх кінцівок, керованих нейронними сигналами, шляхом пересадки нервів з кукси людини з ампутованими кінцівками до м’язів. Сенсорні протези забезпечують сенсорний зворотний зв'язок шляхом перетворення механічних подразників з периферії в закодовану інформацію, доступну нервовій системі. Електроди, розміщені на шкірі, можуть інтерпретувати сигнали, а потім контролювати протезну кінцівку. Це протезування було дуже успішним. Функціональна електростимуляція (ФЕС) - це система, спрямована на відновлення рухових процесів, таких як стояння, ходьба, захоплення рук.

Регенерація нервової тканини

Регенерація нервової тканини, або нейрорегенерація, має на меті відновити функцію тих нейронів, які були пошкоджені внаслідок невеликих ушкоджень і більших ушкоджень, таких як ті, що спричинені черепно-мозковою травмою. Функціональне відновлення пошкоджених нервів передбачає відновлення безперервного шляху регенерації аксонів до місця іннервації. Такі дослідники, як доктор Лаплака з Технологічного інституту Джорджії, прагнуть допомогти знайти лікування для відновлення та регенерації після черепно-мозкової травми та пошкоджень спинного мозку, застосовуючи стратегії тканинної інженерії. Доктор Лаплака вивчає методи поєднання нейронних стовбурових клітин із скелетом на основі протеїну позаклітинного матриксу для мінімально інвазивної доставки в ушкодження неправильної форми, які утворюються після травматичного ураження. Вивчаючи нервові стовбурові клітини in vitro та досліджуючи альтернативні клітинні джерела, розробляючи нові біополімери, які можна було б використовувати в каркасі, і досліджуючи трансплантати конструктів клітинної або тканинної інженерії in vivo в моделях травматичного ушкодження головного та спинного мозку, лабораторія доктора Лаплака прагне: визначити оптимальні стратегії регенерації нерва після травми.

Інженерні стратегії відновлення нервової тканини

Інженерні стратегії для відновлення травми спинного мозку зосереджені на створенні сприятливого середовища для регенерації нервів. Наразі клінічно можливим було лише пошкодження нерва ПНС, але прогрес у дослідженні генетичних методів і біоматеріалів демонструє потенціал для нервів СК до регенерації в допустимих середовищах.

Графти (трансплантати)

Переваги трансплантатів аутологічної тканини полягають у тому, що вони походять із природних матеріалів, які мають високу ймовірність біосумісності, одночасно забезпечуючи структурну підтримку нервів, які сприяють адгезії та міграції клітин. Неавтологічна тканина, ацелюлярні трансплантати та матеріали на основі позаклітинного матриксу — це всі варіанти, які також можуть стати ідеальною основою для регенерації нервів . Деякі походять з алогенних або ксеногенних тканин, які повинні поєднуватися з імунодепресантами. Інші включають трансплантати підслизової оболонки тонкої кишки та амніотичної тканини.

Синтетичні матеріали є привабливими варіантами, оскільки їхні фізичні та хімічні властивості зазвичай можна контролювати. Проблема, яка залишається для синтетичних матеріалів, це біосумісність. Було показано, що конструкції на основі метилцелюлози є біосумісним варіантом для цієї мети (Tate та ін. 2001). AxoGen використовує технологію пересадки клітин AVANCE, щоб імітувати людський нерв. Було показано, що він досягає значущого одужання у 87 відсотків пацієнтів з ушкодженнями периферичних нервів.

Нервові направляючі канали

Нервові направляючі канали – це інноваційні стратегії, спрямовані на більші дефекти, які забезпечують канал для проростання аксонів, що спрямовує ріст і зменшує гальмування росту рубцевою тканиною. Нервові направляючі канали повинні бути легко сформовані в трубопровід бажаних розмірів, стерилізований, стійкий до розривів, простий у обробці та зшиванні. В ідеалі вони деградували б з часом під час регенерації нерва, були б гнучкими, напівпроникними, зберігали свою форму та мали гладку внутрішню стінку, яка імітує стінку справжнього нерва.

Біомолекулярні терапії

Для сприяння нейронній регенерації необхідні висококонтрольовані системи доставки. Нейротрофічні фактори можуть впливати на розвиток, виживання, ріст і розгалуження. Нейротрофіни включають фактор росту нервів (NGF), нейротрофічний фактор мозку (BDNF), нейротрофін-3 (NT-3) і нейротрофін-4/5 (NT-4/5). Іншими факторами є циліарний нейротрофічний фактор (CNTF), фактор росту, отриманий з лінії гліальних клітин (GDNF) і кислотний і основний фактор росту фібробластів (aFGF, bFGF), які сприяють ряду нервових реакцій. (Schmidt & Leach 2003) Також було показано, що фібронектин підтримує регенерацію нервів після ЧМТ у щурів (Tate et al. 2002). Інші методи лікування спрямовані на регенерацію нервів шляхом посилення регуляції генів, пов’язаних з регенерацією (RAG), нейронних цитоскелетних компонентів і факторів антиапоптозу . RAG включають GAP-43 і Cap-23, молекули адгезії, такі як родина L1, NCAM і N-кадгерин (Schmidt & Leach 2003). Існує також потенціал для блокування інгібіторних біомолекул у ЦНС через гліальні рубці. Деякі з них наразі вивчаються, це лікування хондроїтиназою ABC та блокуванням NgR, АДФ-рибози (Schmidt & Leach 2003).

Техніка доставки

Пристрої для доставки повинні бути біосумісними та стабільними in vivo. Деякі приклади включають осмотичні насоси, силіконові резервуари, полімерні матриці та мікросфери. Методи генної терапії також були вивчені для забезпечення тривалого виробництва факторів росту та можуть бути доставлені за допомогою вірусних або невірусних векторів, таких як ліпоплекси. Клітини також є ефективними транспортними засобами для компонентів ECM, нейротрофічних факторів і молекул клітинної адгезії. Клітини нюхової оболонки (OECs) і стовбурові клітини, а також генетично модифіковані клітини використовувалися як трансплантати для підтримки регенерації нервів (LaPlaca та ін. 2005, Schmidt & Leach 2003, Tate та ін. 2002).

Передові методи лікування

Удосконалена терапія поєднує складні канали наведення та численні стимули, які зосереджуються на внутрішніх структурах, які імітують архітектуру нерва, що містить внутрішні матриці поздовжньо розташованих волокон або каналів. Виготовлення цих структур може використовувати низку технологій: магнітне вирівнювання полімерних волокон, лиття під тиском, поділ фаз, виготовлення твердої вільної форми та струменевий полімерний друк.

Вдосконалення нервової системи

Вдосконалення нервової системи людини або вдосконалення людини за допомогою інженерних методів є ще одним можливим застосуванням нейроінженерії. Вже було показано, що глибока стимуляція мозку покращує запам’ятовування, як відзначають пацієнти, які зараз використовують це лікування неврологічних розладів. Вважається, що методи стимуляції мозку здатні формувати емоції, а також підвищувати мотивацію, зменшувати гальмування тощо за бажанням людини. Етичні проблеми, пов’язані з таким типом людського вдосконалення, — це новий набір питань, з якими нейроінженерам доводиться боротися в міру розвитку цих досліджень.

Посилання

• Транзакції IEEE з біомедичної інженерії
• Транзакції IEEE щодо нейронних систем та інженерії реабілітації
• Журнал нейронної інженерії
• JNER Журнал нейроінженерії та реабілітації
• Журнал нейрофізіології

Література

• Neural Engineering: Computation, Representation, and Dynamics in Neurobiological Systems, Chris Eliasmith and Charles H. Anderson, 2003.

Див. також

• Регенеративна медицина
• Генна інженерія
• Клітинна інженерія
• Тканинна інженерія
• Друк органів
• Нейрокомп'ютерний інтерфейс