Нейропротезування: відмінності між версіями

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до навігації Перейти до пошуку
[неперевірена версія][неперевірена версія]
Вилучено вміст Додано вміст
Додана актуальна література
Немає опису редагування
Рядок 1: Рядок 1:
[[Файл:Neuroprosthetic technologies for sensorimotor disorders.webp|міні|Технології нейропротезування сенсомоторних розладів]]
'''Нейропротезування''' — галузь [[Нейроінженерія|нейроінженерії]], що лежить на стику [[Нейронаука|нейронауки]] і [[Біомедична інженерія|біомедичної інженерії]] і займається розробкою [[Протезування|протезів]], функціонально пов'язаних з [[Нервова система|нервовою системою]].
'''Нейропротезування''' — галузь [[Нейроінженерія|нейроінженерії]], що лежить на стику [[Нейронаука|нейронауки]], [[Біомедична інженерія|біомедичної інженерії]] та [[Нейроінформатика|нейроінформатики]], і займається розробкою [[Протезування|протезів]], функціонально пов'язаних з [[Нервова система|нервовою системою]], — заміну або модулювання частин нервової системи, які порушуються внаслідок [[Неврологічний розлад|неврологічних розладів]] або після [[Фізична травма|травми]].<ref name=":0">{{Cite news|title=Neuroprosthetics: from sensorimotor to cognitive disorders|url=https://www.nature.com/articles/s42003-022-04390-w|work=[[Communications Biology]]|date=2023-01-06|accessdate=2023-09-14|issn=2399-3642|pmc=|pmid=|doi=10.1038/s42003-022-04390-w|volume=6|issue=1|language=en|first=Ankur|last=Gupta|first2=Nikolaos|last2=Vardalakis|first3=Fabien B.|last3=Wagner}}</ref>


Нейронні протези є [[Електронний імплантат|електронними імплантатами]], які можуть відновити рухові, чутливі і пізнавальні функції, якщо вони були втрачені в результаті травми або хвороби. Прикладом таких пристроїв може служити кохлеарний імплантат. Це пристрій відновлює функції, що виконуються [[Барабанна перетинка|барабанною перетинкою]] і [[Стремінце|стремінцем]], шляхом імітації частотного аналізу в [[Завитка|вушному равлику]]. Мікрофон, встановлений зовні, вловлює звуки і обробляє їх; тоді оброблений сигнал передається на імплантований блок, який через {{нп|мікроелектродний масив|||Microelectrode array}} стимулює волокна слухового нерва в равлику. За допомогою заміни або посилення втрачених почуттів, ці пристрої мають намір поліпшити якість життя для людей з обмеженими можливостями.
Нейронні протези є [[Електронний імплантат|електронними імплантатами]], які можуть відновити рухові, чутливі і пізнавальні функції, якщо вони були втрачені в результаті травми або хвороби. Прикладом таких пристроїв може служити кохлеарний імплантат. Це пристрій відновлює функції, що виконуються [[Барабанна перетинка|барабанною перетинкою]] і [[Стремінце|стремінцем]], шляхом імітації частотного аналізу в [[Завитка|вушному равлику]]. Мікрофон, встановлений зовні, вловлює звуки і обробляє їх; тоді оброблений сигнал передається на імплантований блок, який через {{нп|мікроелектродний масив|||Microelectrode array}} стимулює волокна слухового нерва в равлику. За допомогою заміни або посилення втрачених почуттів, ці пристрої мають намір поліпшити якість життя для людей з обмеженими можливостями.
Рядок 7: Рядок 8:
Точне зондування і запис електричних сигналів у мозку допоможе краще зрозуміти зв'язок між локальними скупченнями нейронів, що відповідають за певні функції.
Точне зондування і запис електричних сигналів у мозку допоможе краще зрозуміти зв'язок між локальними скупченнями нейронів, що відповідають за певні функції.


Нейронні імплантати проєктуються настільки маленькими, наскільки це можливо, щоб мінімізувати інвазивність, особливо в районах, що оточують мозок, очі або вушні равлики. Ці імплантати зазвичай мають бездротовий зв'язок зі своїми протезами. Крім того, живлення відбувається через [[Бездротова передача електрики|бездротову передачу електрики]] через шкіру. Тканина поруч з імплантатом дуже чутлива до підвищення температури. Це означає, що споживана потужність повинна бути мінімальна, щоб уникнути пошкодження тканини. <ref>{{Cite web|url=http://www.springerlink.com/content/qjjwu2l4n363j278/|title=Minimizing Thermal Effects of In Vivo Body Sensors|last=Daniel Garrison|accessdate=2010-05-05}}{{Недоступная ссылка|date=Апрель 2020|bot=InternetArchiveBot}}</ref>
Нейронні імплантати проєктуються настільки маленькими, наскільки це можливо, щоб мінімізувати інвазивність, особливо в районах, що оточують мозок, очі або вушні равлики. Ці імплантати зазвичай мають бездротовий зв'язок зі своїми протезами. Крім того, живлення відбувається через [[Бездротова передача електрики|бездротову передачу електрики]] через шкіру. Тканина поруч з імплантатом дуже чутлива до підвищення температури. Це означає, що споживана потужність повинна бути мінімальна, щоб уникнути пошкодження тканини.<ref>{{Cite web|url=http://www.springerlink.com/content/qjjwu2l4n363j278/|title=Minimizing Thermal Effects of In Vivo Body Sensors|last=Daniel Garrison|accessdate=2010-05-05}}{{Недоступная ссылка|date=Апрель 2020|bot=InternetArchiveBot}}</ref>


У 2019 групі з Університету Карнегі-Меллона, використовуючи неінвазивний інтерфейс, вдалося отримати доступ до глибоких сигналів всередині мозку і розробити першу в світі керовану розумом роботизовану руку, яка здатна безперервно і плавно слідувати за курсором комп'ютера. <ref>{{Cite web|url=https://preability.com/2019/06/20/upravlyaemaya-razumom-robotizirovannaya-ruka-vpervye-effektivno-rabotaet-bez-mozgovoj-implantaczii/|title=Управляемая разумом роботизированная рука впервые эффективно работает без мозговой имплантации|date=2019-06-20|publisher=PreAbility|language=ru|accessdate=2019-07-02}}</ref>
У 2019 групі з Університету Карнегі-Меллона, використовуючи неінвазивний інтерфейс, вдалося отримати доступ до глибоких сигналів всередині мозку і розробити першу в світі керовану розумом роботизовану руку, яка здатна безперервно і плавно слідувати за курсором комп'ютера.<ref>{{Cite web|url=https://preability.com/2019/06/20/upravlyaemaya-razumom-robotizirovannaya-ruka-vpervye-effektivno-rabotaet-bez-mozgovoj-implantaczii/|title=Управляемая разумом роботизированная рука впервые эффективно работает без мозговой имплантации|date=2019-06-20|publisher=PreAbility|language=ru|accessdate=2019-07-02}}</ref>


Зараз в нейропротезуванні досить широко використовується кохлеарний імплантат. Станом на грудень 2010 року його отримали близько 219 тисяч людей в всьому світі. <ref>{{Cite web|url=http://www.nidcd.nih.gov/health/hearing/pages/coch.aspx|title=Cochlear Implants|last=NIH Publication No. 11-4798|date=2011-03-01|publisher={{нп5|Национальный институт слуха и расстройств коммуникации|National Institute on Deafness and Other Communication Disorders||National Institute on Deafness and Other Communication Disorders}}|quote=as of December 2010, approximately 219,000 people worldwide have received implants. In the United States, roughly 42,600 adults and 28,400 children have received them.|archiveurl=https://www.webcitation.org/69rTjjnQ2?url=http://www.nidcd.nih.gov/health/hearing/pages/coch.aspx|archivedate=2012-08-12|accessdate=2011-11-16|deadlink=no}}</ref>
Зараз в нейропротезуванні досить широко використовується {{Не перекладено|Кохлеарний імплантат|кохлеарний імплантат|en|Cochlear implant}}. Станом на грудень 2010 року його отримали близько 219 тисяч людей в всьому світі.<ref>{{Cite web|url=http://www.nidcd.nih.gov/health/hearing/pages/coch.aspx|title=Cochlear Implants|last=NIH Publication No. 11-4798|date=2011-03-01|publisher=National Institute on Deafness and Other Communication Disorders|quote=as of December 2010, approximately 219,000 people worldwide have received implants. In the United States, roughly 42,600 adults and 28,400 children have received them.|archiveurl=https://www.webcitation.org/69rTjjnQ2?url=http://www.nidcd.nih.gov/health/hearing/pages/coch.aspx|archivedate=2012-08-12|accessdate=2011-11-16|deadlink=no}}</ref>


== Історія ==
== Історія ==
Перший відомий кохлеарний імплантат був створений в 1957 році. Іншими важливими віхами є створення першого рухового протеза для стопи, що звисає при геміплегії в 1961 році, створення першого слухового стволомозгового імплантату в 1977 році і периферичного нейромоста, імплантованого в [[спинний мозок]] дорослого щура 1981 році.
Перший відомий кохлеарний імплантат був створений в 1957 році. Іншими важливими віхами є створення першого рухового протеза для стопи, що звисає при геміплегії в 1961 році<ref name=":1">{{Cite news|title=Functional electrotherapy: stimulation of the peroneal nerve synchronized with the swing phase of the gait of hemiplegic patients|url=https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/13761879/|work=Archives of Physical Medicine and Rehabilitation|date=1961-02|accessdate=2023-09-14|issn=0003-9993|pmid=13761879|pages=101–105|volume=42|first=W. T.|last=Liberson|first2=H. J.|last2=Holmquest|first3=D.|last3=Scot|first4=M.|last4=Dow}}</ref>, створення першого слухового стволомозгового імплантату в 1977 році і периферичного нейромоста, імплантованого в [[спинний мозок]] дорослого щура 1981 році.


== Сенсорне протезування ==
== Сенсорне протезування ==
Рядок 28: Рядок 29:


== Рухове протезування ==
== Рухове протезування ==
Рухові нейропротези – тип нейропротезів, які спрямовані на відновлення рухової функції шляхом електричної стимуляції структур, залучених до генерації руху ([[М'язи|м’язів]], [[Периферична нервова система|периферичних нервів]], [[Спинний мозок|спинного]] або [[Головний мозок людини|головного мозку]]), після нейромоторних розладів, таких як [[інсульт]]<ref>{{Cite news|title=Motor Neuroprosthesis for Promoting Recovery of Function After Stroke|url=https://www.ahajournals.org/doi/10.1161/STROKEAHA.120.029235|work=Stroke|date=2020-07|accessdate=2023-09-14|issn=0039-2499|doi=10.1161/STROKEAHA.120.029235|volume=51|issue=7|language=en|first=Luciana A.|last=Mendes|first2=Íllia N.D.F.|last2=Lima|first3=Túlio O.|last3=Souza|first4=George C.|last4=do Nascimento|first5=Vanessa R.|last5=Resqueti|first6=Guilherme A.F.|last6=Fregonezi}}</ref> або [[черепно-мозкова травма]].<ref>{{Cite book
|url=http://link.springer.com/10.1007/978-3-030-38740-2
|title=Advances in Motor Neuroprostheses
|date=2020
|editor-last=Vinjamuri
|editor-first=Ramana
|publisher=Springer International Publishing, [[Springer Nature]]
|location=Cham
|language=en
|doi=10.1007/978-3-030-38740-2
|isbn=978-3-030-38739-6
}}</ref> Найпершим руховим нейропротезом був стимулятор малогомілкового нерва, винайдений у 1961 році Ліберсоном та його колегами для лікування падіння стопи після геміплегії.<ref name=":1" /> Сам термін нейропротез був вперше введений у науковій літературі в [[1971]] році для позначення інтраспінального імплантату, який дозволяв спорожнення сечового міхура після параплегії.<ref>{{Cite news|title=Electromicturition in paraplegia: implantation of a spinal neuroprosthesis|url=https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/5161621/|work=Proceedings. Veterans Administration Spinal Cord Injury Conference|date=1971|accessdate=2023-09-14|issn=0083-3568|pmid=5161621|pages=161–165|volume=18|first=B. S.|last=Nashold|first2=H.|last2=Friedman|first3=J. F.|last3=Glenn|first4=J. H.|last4=Grimes|first5=W. F.|last5=Barry|first6=R.|last6=Avery}}</ref> З тих пір визначення моторних нейропротезів також було розширено до технологій, які поєднують моторні команди з сигналів мозку для керування зовнішніми пристроями, такими як [[нейрокомп'ютерний інтерфейс]].

=== Функціональна електростимуляція (ФЕС) ===
[[Функціональна електростимуляція]] (ФЕС) — це клінічно схвалена технологія нейростимуляції, яка активує [[Еферентні нервові волокна|еферентні]] [[Аксон|аксони]], що іннервують певні м’язи, для здійснення бажаного руху.<ref name=":2">{{Cite news|title=Functional electrical stimulation therapy for restoration of motor function after spinal cord injury and stroke: a review|url=https://doi.org/10.1186/s12938-020-00773-4|work=BioMedical Engineering OnLine|date=2020-05-24|accessdate=2023-09-14|issn=1475-925X|pmc=|pmid=|doi=10.1186/s12938-020-00773-4|pages=34|volume=19|issue=1|first=Cesar|last=Marquez-Chin|first2=Milos R.|last2=Popovic}}</ref> Стимуляція може здійснюватися поблизу цільового м’яза або до рухового нерва, який його [[Іннервація|іннервує]], і в цьому випадку вона називається стимуляцією периферичних нервів (ПНС) за допомогою неінвазивних, черезшкірних або повністю імплантованих [[Електрод|електродів]]. Ці електроди, у свою чергу, підключені до електростимулятора, який зазвичай може контролювати до 16 незалежних каналів. Такі системи стимуляції можна просто використовувати для нарощування м’язової сили, що часто називають нервово-м’язовою електростимуляцією, або вони можуть допомогти у виконанні функціональних завдань. Крім того, ФЕС може служити допоміжною технологією, зменшуючи порушення у виконанні певного руху, або як частину реабілітаційної терапії, яка може призвести до [[Нейропластичність|нейропластичності]] та функціональних покращень, залежно від розладу та його тяжкості.<ref name=":2" />

ФЕС застосовувався протягом останніх 60 років як для рухових завдань верхніх, так і для нижніх кінцівок, таких як стояння, [[ходьба]], потягнення та захоплення.<ref>{{Cite news|title=Functional Electrical Stimulation for Neuromuscular Applications|url=https://www.annualreviews.org/doi/10.1146/annurev.bioeng.6.040803.140103|work=Annual Review of Biomedical Engineering|date=2005-08-15|accessdate=2023-09-14|issn=1523-9829|doi=10.1146/annurev.bioeng.6.040803.140103|pages=327–360|volume=7|issue=1|language=en|first=P. Hunter|last=Peckham|first2=Jayme S.|last2=Knutson}}</ref><ref name=":2" />

=== Стимуляція спинного мозку (ССМ) ===
Стимуляція спинного мозку (ССМ) добре відома для лікування [[Хронічний біль|хронічного болю]], і також цей метод привернув увагу своїм потенціалом у нейропротезах для контролю моторики. ССМ передбачає розміщення до 16 електродів у задньому епідуральному просторі, підключених до зовнішнього або імплантованого генератора імпульсів, і він активує [[Аферентні нервові волокна|аферентні]] волокна великого діаметру, які рекрутують пули [[Мотонейрон|мотонейронів]] у іннервованому сегменті спинного мозку.

У 1986 році було виявлено, що ССМ може відновити довільний руховий контроль у осіб з неповним ушкодженням спинного мозку.<ref>{{Cite news|title=Enhancement of Voluntary Motor Function Following Spinal Cord Stimulation - Case Study|url=https://doi.org/10.1159/000100160|work=Applied Neurophysiology|date=1987-08-06|accessdate=2023-09-14|issn=0379-2676|doi=10.1159/000100160|pages=307–314|volume=49|issue=6|first=Giancarlo|last=Barolat|first2=Joel B.|last2=Myklebust|first3=William|last3=Wenninger}}</ref> Пізніші дослідження показали, що ССМ може викликати рухи ніг, подібні до кроку в осіб із повним пошводженням спинного мозку, змінюючи частоту стимуляції.<ref>{{Cite news|title=Evidence for a Spinal Central Pattern Generator in Humansa|url=https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/j.1749-6632.1998.tb09062.x|work=Annals of the New York Academy of Sciences|date=1998-11|accessdate=2023-09-14|issn=0077-8923|doi=10.1111/j.1749-6632.1998.tb09062.x|pages=360–376|volume=860|issue=1 NEURONAL MECH|language=en|first=Milan R.|last=Dimitrijevic|first2=Yuri|last2=Gerasimenko|first3=Michaela M.|last3=Pinter}}</ref> У 2002 році вперше спробували поєднати ССМ і локомоторне тренування, що призвело до миттєвого покращення ходьби.<ref>{{Cite news|title=Spinal cord stimulation facilitates functional walking in a chronic, incomplete spinal cord injured|url=https://www.nature.com/articles/3101263|work=Spinal Cord|date=2002-02|accessdate=2023-09-14|issn=1476-5624|doi=10.1038/sj.sc.3101263|pages=65–68|volume=40|issue=2|language=en|first=R.|last=Herman|first2=J.|last2=He|first3=S.|last3=D'Luzansky|first4=W.|last4=Willis|first5=S.|last5=Dilli}}</ref><ref>{{Cite news|title=Epidural spinal-cord stimulation facilitates recovery of functional walking following incomplete spinal-cord injury|url=https://ieeexplore.ieee.org/document/1273520/|work=IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering|date=2004-03|accessdate=2023-09-14|issn=1558-0210|doi=10.1109/TNSRE.2003.822763|pages=32–42|volume=12|issue=1|first=M.R.|last=Carhart|first2=Jiping|last2=He|first3=R.|last3=Herman|first4=S.|last4=D'Luzansky|first5=W.T.|last5=Willis}}</ref>

У 2011 році ССМ у поєднанні з інтенсивними тренуваннями дозволив людям із повним ушкодженням спинного мозку самостійно стояти з повною вагою, що вказує на можливість довільних рухів паралізованих м’язів.<ref>{{Cite news|title=Effect of epidural stimulation of the lumbosacral spinal cord on voluntary movement, standing, and assisted stepping after motor complete paraplegia: a case study|url=https://doi.org/10.1016/s0140-6736(11)60547-3|work=[[The Lancet]]|date=2011-06|accessdate=2023-09-14|issn=0140-6736|pmc=|pmid=|doi=10.1016/s0140-6736(11)60547-3|pages=1938–1947|volume=377|issue=9781|first=Susan|last=Harkema|first2=Yury|last2=Gerasimenko|first3=Jonathan|last3=Hodes|first4=Joel|last4=Burdick|first5=Claudia|last5=Angeli|first6=Yangsheng|last6=Chen|first7=Christie|last7=Ferreira|first8=Andrea|last8=Willhite|first9=Enrico|last9=Rejc}}</ref> Пізніші дослідження продемонстрували подібні результати.<ref>{{Cite news|title=Altering spinal cord excitability enables voluntary movements after chronic complete paralysis in humans|url=https://academic.oup.com/brain/article-lookup/doi/10.1093/brain/awu038|work=Brain|date=2014-05|accessdate=2023-09-14|issn=1460-2156|pmc=|pmid=|doi=10.1093/brain/awu038|pages=1394–1409|volume=137|issue=5|language=en|first=Claudia A.|last=Angeli|first2=V. Reggie|last2=Edgerton|first3=Yury P.|last3=Gerasimenko|first4=Susan J.|last4=Harkema}}</ref><ref>{{Cite news|title=Effects of Lumbosacral Spinal Cord Epidural Stimulation for Standing after Chronic Complete Paralysis in Humans|url=https://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0133998|work=[[PLOS ONE]]|date=24 лип. 2015 р.|accessdate=2023-09-14|issn=1932-6203|pmc=|pmid=|doi=10.1371/journal.pone.0133998|pages=|volume=10|issue=7|language=en|first=Enrico|last=Rejc|first2=Claudia|last2=Angeli|first3=Susan|last3=Harkema}}</ref>

Важлива віха відбулася в 2018 році, коли шість осіб із ССМ досягли самостійної наземної ходьби з ССМ та пройшли інтенсивну реабілітацію.<ref name=":3">{{Cite news|title=Targeted neurotechnology restores walking in humans with spinal cord injury|url=https://www.nature.com/articles/s41586-018-0649-2|work=[[Nature]]|date=2018-11|accessdate=2023-09-14|issn=1476-4687|doi=10.1038/s41586-018-0649-2|pages=65–71|volume=563|issue=7729|language=en|first=Fabien B.|last=Wagner|first2=Jean-Baptiste|last2=Mignardot|first3=Camille G.|last3=Le Goff-Mignardot|first4=Robin|last4=Demesmaeker|first5=Salif|last5=Komi|first6=Marco|last6=Capogrosso|first7=Andreas|last7=Rowald|first8=Ismael|last8=Seáñez|first9=Miroslav|last9=Caban}}</ref><ref>{{Cite news|title=Recovery of Over-Ground Walking after Chronic Motor Complete Spinal Cord Injury|url=http://www.nejm.org/doi/10.1056/NEJMoa1803588|work=[[New England Journal of Medicine]]|date=2018-09-27|accessdate=2023-09-14|issn=0028-4793|doi=10.1056/NEJMoa1803588|pages=1244–1250|volume=379|issue=13|language=en|first=Claudia A.|last=Angeli|first2=Maxwell|last2=Boakye|first3=Rebekah A.|last3=Morton|first4=Justin|last4=Vogt|first5=Kristin|last5=Benton|first6=Yangshen|last6=Chen|first7=Christie K.|last7=Ferreira|first8=Susan J.|last8=Harkema}}</ref><ref>{{Cite news|title=Neuromodulation of lumbosacral spinal networks enables independent stepping after complete paraplegia|url=https://www.nature.com/articles/s41591-018-0175-7|work=[[Nature Medicine]]|date=2018-11|accessdate=2023-09-14|issn=1546-170X|doi=10.1038/s41591-018-0175-7|pages=1677–1682|volume=24|issue=11|language=en|first=Megan L.|last=Gill|first2=Peter J.|last2=Grahn|first3=Jonathan S.|last3=Calvert|first4=Margaux B.|last4=Linde|first5=Igor A.|last5=Lavrov|first6=Jeffrey A.|last6=Strommen|first7=Lisa A.|last7=Beck|first8=Dimitry G.|last8=Sayenko|first9=Meegan G.|last9=Van Straaten}}</ref>

Було розроблено новий підхід під назвою просторово-часова ССМ, спрямована на конкретні фази циклу ходи з просторово-специфічними конфігураціями електродів.<ref name=":3" /><ref>{{Cite news|title=Spatiotemporal neuromodulation therapies engaging muscle synergies improve motor control after spinal cord injury|url=https://www.nature.com/articles/nm.4025|work=[[Nature Medicine]]|date=2016-02|accessdate=2023-09-14|issn=1546-170X|pmc=|pmid=|doi=10.1038/nm.4025|pages=138–145|volume=22|issue=2|language=en|first=Nikolaus|last=Wenger|first2=Eduardo Martin|last2=Moraud|first3=Jerome|last3=Gandar|first4=Pavel|last4=Musienko|first5=Marco|last5=Capogrosso|first6=Laetitia|last6=Baud|first7=Camille G.|last7=Le Goff|first8=Quentin|last8=Barraud|first9=Natalia|last9=Pavlova}}</ref><ref>{{Cite news|title=Configuration of electrical spinal cord stimulation through real-time processing of gait kinematics|url=https://www.nature.com/articles/s41596-018-0030-9|work=[[Nature Protocols]]|date=2018-09|accessdate=2023-09-14|issn=1750-2799|doi=10.1038/s41596-018-0030-9|pages=2031–2061|volume=13|issue=9|language=en|first=Marco|last=Capogrosso|first2=Fabien B.|last2=Wagner|first3=Jerome|last3=Gandar|first4=Eduardo Martin|last4=Moraud|first5=Nikolaus|last5=Wenger|first6=Tomislav|last6=Milekovic|first7=Polina|last7=Shkorbatova|first8=Natalia|last8=Pavlova|first9=Pavel|last9=Musienko}}</ref> Цей підхід призвів до миттєвого покращення ходьби та довгострокового відновлення рухової функції в осіб із ушкодженням спинного мозку.<ref>{{Cite news|title=The neurons that restore walking after paralysis|url=https://www.nature.com/articles/s41586-022-05385-7|work=[[Nature]]|date=2022-11|accessdate=2023-09-14|issn=1476-4687|pmc=|pmid=|doi=10.1038/s41586-022-05385-7|pages=540–547|volume=611|issue=7936|language=en|first=Claudia|last=Kathe|first2=Michael A.|last2=Skinnider|first3=Thomas H.|last3=Hutson|first4=Nicola|last4=Regazzi|first5=Matthieu|last5=Gautier|first6=Robin|last6=Demesmaeker|first7=Salif|last7=Komi|first8=Steven|last8=Ceto|first9=Nicholas D.|last9=James}}</ref><ref>{{Cite news|title=Activity-dependent spinal cord neuromodulation rapidly restores trunk and leg motor functions after complete paralysis|url=https://www.nature.com/articles/s41591-021-01663-5|work=[[Nature Medicine]]|date=2022-02|accessdate=2023-09-14|issn=1546-170X|doi=10.1038/s41591-021-01663-5|pages=260–271|volume=28|issue=2|language=en|first=Andreas|last=Rowald|first2=Salif|last2=Komi|first3=Robin|last3=Demesmaeker|first4=Edeny|last4=Baaklini|first5=Sergio Daniel|last5=Hernandez-Charpak|first6=Edoardo|last6=Paoles|first7=Hazael|last7=Montanaro|first8=Antonino|last8=Cassara|first9=Fabio|last9=Becce}}</ref>


=== Імплантати для керування сечовипусканням ===
=== Імплантати для керування сечовипусканням ===
Рядок 34: Рядок 63:
Подібна процедура стимуляції крижового нерва призначена для контролю нетримання у пацієнтів без параплегії<ref>Schmidt RA, Jonas A, Oleson KA, Janknegt RA, Hassouna MM, Siegel SW, van Kerrebroeck PE. Sacral nerve stimulation for treatment of refractory urinary urge incontinence. Sacral nerve study group. J Urol 1999 Aug;16(2):352-357.</ref>.
Подібна процедура стимуляції крижового нерва призначена для контролю нетримання у пацієнтів без параплегії<ref>Schmidt RA, Jonas A, Oleson KA, Janknegt RA, Hassouna MM, Siegel SW, van Kerrebroeck PE. Sacral nerve stimulation for treatment of refractory urinary urge incontinence. Sacral nerve study group. J Urol 1999 Aug;16(2):352-357.</ref>.


=== Рухові протези для свідомого керування рухом ===
=== Рухові нейропротези, керовані мозком ===
Рухові нейропротези, керовані мозком, пропонують людям із неврологічними захворюваннями можливість відновити руховий контроль. Існуючі нейропротези, такі як функціональна електростимуляція (ФЕС) і стимуляція спинного мозку (ССМ), можна контролювати вручну або налаштувати реагування на зовнішні кінематичні події, виявлені зовнішніми [[Датчик|датчиками]]. Однак прогрес у технології нейрокомп'ютерних інтерфейсів (НКІ) уможливив пряме вилучення керуючих сигналів із мозку в протез.<ref>{{Cite news|title=Investigating large-scale brain dynamics using field potential recordings: analysis and interpretation|url=https://www.nature.com/articles/s41593-018-0171-8|work=[[Nature Neuroscience]]|date=2018-07|accessdate=2023-09-14|issn=1546-1726|pmc=|pmid=|doi=10.1038/s41593-018-0171-8|pages=903–919|volume=21|issue=7|language=en|first=Bijan|last=Pesaran|first2=Martin|last2=Vinck|first3=Gaute T.|last3=Einevoll|first4=Anton|last4=Sirota|first5=Pascal|last5=Fries|first6=Markus|last6=Siegel|first7=Wilson|last7=Truccolo|first8=Charles E.|last8=Schroeder|first9=Ramesh|last9=Srinivasan}}</ref>

Нейрокомп'ютерний інтерфейс також може служити інтерфейсом керування для методів нейростимуляції. Тетраплегічні суб’єкти з інтракортикальними мікроелектродами успішно контролювали системи функціональної електростимуляції (ФЕС) для різних рухів.<ref>{{Cite news|title=Restoring cortical control of functional movement in a human with quadriplegia|url=https://www.nature.com/articles/nature17435|work=[[Nature]]|date=2016-05|accessdate=2023-09-14|issn=1476-4687|doi=10.1038/nature17435|pages=247–250|volume=533|issue=7602|language=en|first=Chad E.|last=Bouton|first2=Ammar|last2=Shaikhouni|first3=Nicholas V.|last3=Annetta|first4=Marcia A.|last4=Bockbrader|first5=David A.|last5=Friedenberg|first6=Dylan M.|last6=Nielson|first7=Gaurav|last7=Sharma|first8=Per B.|last8=Sederberg|first9=Bradley C.|last9=Glenn}}</ref> Просторово-часова стимуляція спинного мозку (ССМ), нова технологія, також може контролюватися сигналами мозку, відкриваючи можливості для двонаправлених нейропротезів, які взаємодіють із нервовою системою як для запису, так і для стимуляції.<ref>{{Cite news|title=A brain–spine interface alleviating gait deficits after spinal cord injury in primates|url=https://www.nature.com/articles/nature20118|work=[[Nature]]|date=2016-11|accessdate=2023-09-14|issn=1476-4687|pmc=|pmid=|doi=10.1038/nature20118|pages=284–288|volume=539|issue=7628|language=en|first=Marco|last=Capogrosso|first2=Tomislav|last2=Milekovic|first3=David|last3=Borton|first4=Fabien|last4=Wagner|first5=Eduardo Martin|last5=Moraud|first6=Jean-Baptiste|last6=Mignardot|first7=Nicolas|last7=Buse|first8=Jerome|last8=Gandar|first9=Quentin|last9=Barraud}}</ref><ref>{{Cite news|title=Brain–spine interfaces to reverse paralysis|url=https://academic.oup.com/nsr/article/doi/10.1093/nsr/nwac009/6510838|work=National Science Review|date=2022-09-29|accessdate=2023-09-14|issn=2095-5138|pmc=|pmid=|doi=10.1093/nsr/nwac009|volume=9|issue=10|language=en|first=Henri|last=Lorach|first2=Guillaume|last2=Charvet|first3=Jocelyne|last3=Bloch|first4=Grégoire|last4=Courtine}}</ref> Ця інтеграція можливостей запису та стимуляції знаменує перспективний рубіж у розробці нейропротезів.

==== Інтракортикальні ====
Інтракортикальний НКІ, заснований на дослідженнях 1980-х років, використовує масиви мікродротів або мікроелектродів високої щільності для запису нейронної активності моторної кори. Ця технологія в поєднанні з [[Обробка сигналів|обробкою сигналів]] і [[Машинне навчання|машинним навчанням]] дозволяє декодувати намічені рухи в реальному часі. Примітно, що люди з [[Тетраплегія|тетраплегією]] успішно контролюють протези рук, комп’ютерні курсори та роботизовані руки за допомогою інтракортикального ІМТ.<ref>{{Cite news|title=Cortical control of a prosthetic arm for self-feeding|url=https://www.nature.com/articles/nature06996|work=[[Nature]]|date=2008-06|accessdate=2023-09-14|issn=1476-4687|doi=10.1038/nature06996|pages=1098–1101|volume=453|issue=7198|language=en|first=Meel|last=Velliste|first2=Sagi|last2=Perel|first3=M. Chance|last3=Spalding|first4=Andrew S.|last4=Whitford|first5=Andrew B.|last5=Schwartz}}</ref><ref>{{Cite news|title=Reach and grasp by people with tetraplegia using a neurally controlled robotic arm|url=https://www.nature.com/articles/nature11076|work=[[Nature]]|date=2012-05|accessdate=2023-09-14|issn=1476-4687|pmc=|pmid=|doi=10.1038/nature11076|pages=372–375|volume=485|issue=7398|language=en|first=Leigh R.|last=Hochberg|first2=Daniel|last2=Bacher|first3=Beata|last3=Jarosiewicz|first4=Nicolas Y.|last4=Masse|first5=John D.|last5=Simeral|first6=Joern|last6=Vogel|first7=Sami|last7=Haddadin|first8=Jie|last8=Liu|first9=Sydney S.|last9=Cash}}</ref><ref>{{Cite news|title=High-performance neuroprosthetic control by an individual with tetraplegia|url=https://doi.org/10.1016/S0140-6736(12)61816-9|work=[[The Lancet]]|date=2013-02|accessdate=2023-09-14|issn=0140-6736|pmc=|pmid=|doi=10.1016/s0140-6736(12)61816-9|pages=557–564|volume=381|issue=9866|first=Jennifer L|last=Collinger|first2=Brian|last2=Wodlinger|first3=John E|last3=Downey|first4=Wei|last4=Wang|first5=Elizabeth C|last5=Tyler-Kabara|first6=Douglas J|last6=Weber|first7=Angus JC|last7=McMorland|first8=Meel|last8=Velliste|first9=Michael L|last9=Boninger}}</ref><ref>{{Cite news|title=Shared Control of Bimanual Robotic Limbs With a Brain-Machine Interface for Self-Feeding|url=https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fnbot.2022.918001|work=Frontiers in Neurorobotics|date=2022|accessdate=2023-09-14|issn=1662-5218|pmc=|pmid=|doi=10.3389/fnbot.2022.918001|volume=16|first=David A.|last=Handelman|first2=Luke E.|last2=Osborn|first3=Tessy M.|last3=Thomas|first4=Andrew R.|last4=Badger|first5=Margaret|last5=Thompson|first6=Robert W.|last6=Nickl|first7=Manuel A.|last7=Anaya|first8=Jared M.|last8=Wormley|first9=Gabriela L.|last9=Cantarero}}</ref> Деякі навіть продемонстрували контроль над складними рухами, що вимагають двосторонньої координації та розшифровки [[Почерк|почерку]].<ref>{{Cite news|title=High-performance brain-to-text communication via handwriting|url=https://www.nature.com/articles/s41586-021-03506-2|work=[[Nature]]|date=2021-05|accessdate=2023-09-14|issn=1476-4687|pmc=|pmid=|doi=10.1038/s41586-021-03506-2|pages=249–254|volume=593|issue=7858|language=en|first=Francis R.|last=Willett|first2=Donald T.|last2=Avansino|first3=Leigh R.|last3=Hochberg|first4=Jaimie M.|last4=Henderson|first5=Krishna V.|last5=Shenoy}}</ref>

==== Електрокортикографічні ====
Електрокортикографічні імплантати (ECoG), менш інвазивні, ніж інтракортикальні, містять електродні сітки або смужки, розміщені на кортикальній поверхні або [[Тверда мозкова оболона|твердій мозковій оболонці]]. Їх використовували для керування програмами друку<ref>{{Cite news|title=Fully Implanted Brain–Computer Interface in a Locked-In Patient with ALS|url=http://www.nejm.org/doi/10.1056/NEJMoa1608085|work=[[New England Journal of Medicine]]|date=2016-11-24|accessdate=2023-09-14|issn=0028-4793|pmc=|pmid=|doi=10.1056/NEJMoa1608085|pages=2060–2066|volume=375|issue=21|language=en|first=Mariska J.|last=Vansteensel|first2=Elmar G.M.|last2=Pels|first3=Martin G.|last3=Bleichner|first4=Mariana P.|last4=Branco|first5=Timothy|last5=Denison|first6=Zachary V.|last6=Freudenburg|first7=Peter|last7=Gosselaar|first8=Sacha|last8=Leinders|first9=Thomas H.|last9=Ottens}}</ref>, віртуальними аватарами, [[Екзоскелет (біоніка)|екзоскелетами]]<ref>{{Cite news|title=An exoskeleton controlled by an epidural wireless brain–machine interface in a tetraplegic patient: a proof-of-concept demonstration|url=https://doi.org/10.1016/S1474-4422(19)30321-7|work=The Lancet Neurology|date=2019-12|accessdate=2023-09-14|issn=1474-4422|doi=10.1016/s1474-4422(19)30321-7|pages=1112–1122|volume=18|issue=12|first=Alim Louis|last=Benabid|first2=Thomas|last2=Costecalde|first3=Andrey|last3=Eliseyev|first4=Guillaume|last4=Charvet|first5=Alexandre|last5=Verney|first6=Serpil|last6=Karakas|first7=Michael|last7=Foerster|first8=Aurélien|last8=Lambert|first9=Boris|last9=Morinière}}</ref> та мовними нейропротезами<ref>{{Cite news|title=Neuroprosthesis for Decoding Speech in a Paralyzed Person with Anarthria|url=http://www.nejm.org/doi/10.1056/NEJMoa2027540|work=[[New England Journal of Medicine]]|date=2021-07-15|accessdate=2023-09-14|issn=0028-4793|pmc=|pmid=|doi=10.1056/NEJMoa2027540|pages=217–227|volume=385|issue=3|language=en|first=David A.|last=Moses|first2=Sean L.|last2=Metzger|first3=Jessie R.|last3=Liu|first4=Gopala K.|last4=Anumanchipalli|first5=Joseph G.|last5=Makin|first6=Pengfei F.|last6=Sun|first7=Josh|last7=Chartier|first8=Maximilian E.|last8=Dougherty|first9=Patricia M.|last9=Liu}}</ref><ref>{{Cite news|title=Generalizable spelling using a speech neuroprosthesis in an individual with severe limb and vocal paralysis|url=https://www.nature.com/articles/s41467-022-33611-3|work=[[Nature Communications]]|date=2022-11-08|accessdate=2023-09-14|issn=2041-1723|pmc=|pmid=|doi=10.1038/s41467-022-33611-3|pages=6510|volume=13|issue=1|language=en|first=Sean L.|last=Metzger|first2=Jessie R.|last2=Liu|first3=David A.|last3=Moses|first4=Maximilian E.|last4=Dougherty|first5=Margaret P.|last5=Seaton|first6=Kaylo T.|last6=Littlejohn|first7=Josh|last7=Chartier|first8=Gopala K.|last8=Anumanchipalli|first9=Adelyn|last9=Tu-Chan}}</ref>. Удосконалення імплантатів micro-ECoG з меншими електродами, більшою щільністю та гнучкими підкладками є перспективними для майбутніх застосувань.<ref>{{Cite news|title=MRI‐Compatible and Conformal Electrocorticography Grids for Translational Research|url=https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202003761|work=[[Advanced Science]]|date=2021-05|accessdate=2023-09-14|issn=2198-3844|pmc=|pmid=|doi=10.1002/advs.202003761|volume=8|issue=9|language=en|first=Florian|last=Fallegger|first2=Giuseppe|last2=Schiavone|first3=Elvira|last3=Pirondini|first4=Fabien B.|last4=Wagner|first5=Nicolas|last5=Vachicouras|first6=Ludovic|last6=Serex|first7=Gregory|last7=Zegarek|first8=Adrien|last8=May|first9=Paul|last9=Constanthin}}</ref>


== Сенсорно-рухове протезування ==
== Сенсорно-рухове протезування ==
Електрична нейростимуляція може бути використана для стимулювання руху, як у моторних нейропротезах, але також для виклику соматичних [[Відчуття|відчуттів]], таких як [[дотик]] або [[пропріоцепція]] в осіб з ампутацією кінцівок або паралічем.<ref name=":0" />


== Когнітивні протези ==
== Когнітивні протези ==
Рядок 42: Рядок 81:


== Електрохімічні нейропротези ==
== Електрохімічні нейропротези ==
Нейропротези, що використовують поєднання хімічної та електричної стимуляції і рухового тренування спинного мозку <ref>''Мусиенко П.'' [http://www.nkj.ru/archive/articles/21451/ Шаг в обход. Электрохимические нейропротезы — против паралича.] // [[Наука и жизнь]], № 12, 2012.</ref> <ref>''Кирилл Стасевич'' Как научить спинной мозг самостоятельности //
Нейропротези, що використовують поєднання хімічної та електричної стимуляції і рухового тренування спинного мозку<ref>''Мусиенко П.'' [http://www.nkj.ru/archive/articles/21451/ Шаг в обход. Электрохимические нейропротезы — против паралича.] // [[Наука и жизнь]], № 12, 2012.</ref><ref>''Кирилл Стасевич'' Как научить спинной мозг самостоятельности //
[[Наука и жизнь]]. — 2016. — № 7. — С. 14-19. — URL: http://www.nkj.ru/archive/articles/29092/</ref>.
[[Наука и жизнь]]. — 2016. — № 7. — С. 14-19. — URL: http://www.nkj.ru/archive/articles/29092/</ref>.


== Див. також ==
== Див. також ==


* [[Нейроінженерія]]
* [[Медична реабілітація]]
* [[Нейрореабілітація]]
* [[Нейрореабілітація]]
* [[Екзоскелет (біоніка)|Екзоскелет]]
* [[Нейроінженерія]]
* [[Нейрокомп'ютерний інтерфейс]]
* [[Нейрокомп'ютерний інтерфейс]]
* [[Нейроінформатика]]
* [[Біомедична інженерія]]


== Додаткова література ==
== Додаткова література ==
Рядок 64: Рядок 105:
=== Статті ===
=== Статті ===


* Gupta, Ankur; Vardalakis, Nikolaos; Wagner, Fabien B. (6 січня 2023). [https://www.nature.com/articles/s42003-022-04390-w Neuroprosthetics: from sensorimotor to cognitive disorders]. ''[[Communications Biology]]'' (англ.) '''6''' (1). с.&nbsp;1–17. [[Цифровий ідентифікатор об'єкта|doi]]:[[doi:10.1038/s42003-022-04390-w|10.1038/s42003-022-04390-w]].
* Bonizzato Marco (1 січня 2021). [https://journals.physiology.org/doi/10.1152/jn.00496.2020 Neuroprosthetics: an outlook on active challenges toward clinical adoption.] ''Journal of Neurophysiology'' (англ.) '''125''' (1). с.&nbsp;105–109. [[Цифровий ідентифікатор об'єкта|doi]]:[http://dx.doi.org/10.1152%2Fjn.00496.2020 10.1152/jn.00496.2020].
* Bonizzato Marco (1 січня 2021). [https://journals.physiology.org/doi/10.1152/jn.00496.2020 Neuroprosthetics: an outlook on active challenges toward clinical adoption.] ''Journal of Neurophysiology'' (англ.) '''125''' (1). с.&nbsp;105–109. [[Цифровий ідентифікатор об'єкта|doi]]:[http://dx.doi.org/10.1152%2Fjn.00496.2020 10.1152/jn.00496.2020].
* Gutiérrez-Martínez Josefina; Toledo-Peral Cinthya; Mercado-Gutiérrez Jorge; Vera-Hernández Arturo; Leija-Salas Lorenzo (7 жовтня 2020). [https://www.hindawi.com/journals/js/2020/8865889/ Neuroprosthesis Devices Based on Micro- and Nanosensors: A Systematic Review.] ''Journal of Sensors'' (англ.) '''2020'''. [[Цифровий ідентифікатор об'єкта|doi]]:[http://dx.doi.org/10.1155%2F2020%2F8865889 10.1155/2020/8865889].
* Gutiérrez-Martínez Josefina; Toledo-Peral Cinthya; Mercado-Gutiérrez Jorge; Vera-Hernández Arturo; Leija-Salas Lorenzo (7 жовтня 2020). [https://www.hindawi.com/journals/js/2020/8865889/ Neuroprosthesis Devices Based on Micro- and Nanosensors: A Systematic Review.] ''Journal of Sensors'' (англ.) '''2020'''. [[Цифровий ідентифікатор об'єкта|doi]]:[http://dx.doi.org/10.1155%2F2020%2F8865889 10.1155/2020/8865889].
Рядок 71: Рядок 113:
=== Журнали ===
=== Журнали ===


* [https://ieeexplore.ieee.org/xpl/RecentIssue.jsp?punumber=7333 IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering]
* [https://ieeexplore.ieee.org/xpl/RecentIssue.jsp?punumber=7333 ''IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering'']
* [https://journals.sagepub.com/home/nnr Neurorehabilitation and Neural Repair]
* [https://journals.sagepub.com/home/nnr ''Neurorehabilitation and Neural Repair'']
* [https://jneuroengrehab.biomedcentral.com/ Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation]
* [https://jneuroengrehab.biomedcentral.com/ ''Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation'']


== Примітки ==
== Примітки ==

Версія за 10:47, 14 вересня 2023

Технології нейропротезування сенсомоторних розладів

Нейропротезування — галузь нейроінженерії, що лежить на стику нейронауки, біомедичної інженерії та нейроінформатики, і займається розробкою протезів, функціонально пов'язаних з нервовою системою, — заміну або модулювання частин нервової системи, які порушуються внаслідок неврологічних розладів або після травми.[1]

Нейронні протези є електронними імплантатами, які можуть відновити рухові, чутливі і пізнавальні функції, якщо вони були втрачені в результаті травми або хвороби. Прикладом таких пристроїв може служити кохлеарний імплантат. Це пристрій відновлює функції, що виконуються барабанною перетинкою і стремінцем, шляхом імітації частотного аналізу в вушному равлику. Мікрофон, встановлений зовні, вловлює звуки і обробляє їх; тоді оброблений сигнал передається на імплантований блок, який через мікроелектродний масив[en] стимулює волокна слухового нерва в равлику. За допомогою заміни або посилення втрачених почуттів, ці пристрої мають намір поліпшити якість життя для людей з обмеженими можливостями.

Дані імплантати також часто використовуються в нейробіології під час експериментів над тваринами як інструмент, що допомагає при вивченні мозку і його функціонуванні. При бездротовому моніторингу електричні сигнали мозку розсилаються за допомогою електродів, імплантованих в мозок суб'єкта, при цьому суб'єкт може бути вивчений без пристрою, що впливає на результати.

Точне зондування і запис електричних сигналів у мозку допоможе краще зрозуміти зв'язок між локальними скупченнями нейронів, що відповідають за певні функції.

Нейронні імплантати проєктуються настільки маленькими, наскільки це можливо, щоб мінімізувати інвазивність, особливо в районах, що оточують мозок, очі або вушні равлики. Ці імплантати зазвичай мають бездротовий зв'язок зі своїми протезами. Крім того, живлення відбувається через бездротову передачу електрики через шкіру. Тканина поруч з імплантатом дуже чутлива до підвищення температури. Це означає, що споживана потужність повинна бути мінімальна, щоб уникнути пошкодження тканини.[2]

У 2019 групі з Університету Карнегі-Меллона, використовуючи неінвазивний інтерфейс, вдалося отримати доступ до глибоких сигналів всередині мозку і розробити першу в світі керовану розумом роботизовану руку, яка здатна безперервно і плавно слідувати за курсором комп'ютера.[3]

Зараз в нейропротезуванні досить широко використовується кохлеарний імплантат. Станом на грудень 2010 року його отримали близько 219 тисяч людей в всьому світі.[4]

Історія

Перший відомий кохлеарний імплантат був створений в 1957 році. Іншими важливими віхами є створення першого рухового протеза для стопи, що звисає при геміплегії в 1961 році[5], створення першого слухового стволомозгового імплантату в 1977 році і периферичного нейромоста, імплантованого в спинний мозок дорослого щура 1981 році.

Сенсорне протезування

Зорове протезування

Слухове протезування

Кохлеарні імплантати, слухові імплантати стовбура головного мозку і слухові імплантати середнього мозку є трьома основними категоріями для слухових протезів.

Кохлеарні імплантати використовуються для забезпечення розвитку розмовної мови у глухих дітей з народження. Кохлеарні імплантати імплантовані приблизно 80 000 дітей у всьому світі.

Протезування для полегшення болю

Рухове протезування

Рухові нейропротези – тип нейропротезів, які спрямовані на відновлення рухової функції шляхом електричної стимуляції структур, залучених до генерації руху (м’язів, периферичних нервів, спинного або головного мозку), після нейромоторних розладів, таких як інсульт[6] або черепно-мозкова травма.[7] Найпершим руховим нейропротезом був стимулятор малогомілкового нерва, винайдений у 1961 році Ліберсоном та його колегами для лікування падіння стопи після геміплегії.[5] Сам термін нейропротез був вперше введений у науковій літературі в 1971 році для позначення інтраспінального імплантату, який дозволяв спорожнення сечового міхура після параплегії.[8] З тих пір визначення моторних нейропротезів також було розширено до технологій, які поєднують моторні команди з сигналів мозку для керування зовнішніми пристроями, такими як нейрокомп'ютерний інтерфейс.

Функціональна електростимуляція (ФЕС)

Функціональна електростимуляція (ФЕС) — це клінічно схвалена технологія нейростимуляції, яка активує еферентні аксони, що іннервують певні м’язи, для здійснення бажаного руху.[9] Стимуляція може здійснюватися поблизу цільового м’яза або до рухового нерва, який його іннервує, і в цьому випадку вона називається стимуляцією периферичних нервів (ПНС) за допомогою неінвазивних, черезшкірних або повністю імплантованих електродів. Ці електроди, у свою чергу, підключені до електростимулятора, який зазвичай може контролювати до 16 незалежних каналів. Такі системи стимуляції можна просто використовувати для нарощування м’язової сили, що часто називають нервово-м’язовою електростимуляцією, або вони можуть допомогти у виконанні функціональних завдань. Крім того, ФЕС може служити допоміжною технологією, зменшуючи порушення у виконанні певного руху, або як частину реабілітаційної терапії, яка може призвести до нейропластичності та функціональних покращень, залежно від розладу та його тяжкості.[9]

ФЕС застосовувався протягом останніх 60 років як для рухових завдань верхніх, так і для нижніх кінцівок, таких як стояння, ходьба, потягнення та захоплення.[10][9]

Стимуляція спинного мозку (ССМ)

Стимуляція спинного мозку (ССМ) добре відома для лікування хронічного болю, і також цей метод привернув увагу своїм потенціалом у нейропротезах для контролю моторики. ССМ передбачає розміщення до 16 електродів у задньому епідуральному просторі, підключених до зовнішнього або імплантованого генератора імпульсів, і він активує аферентні волокна великого діаметру, які рекрутують пули мотонейронів у іннервованому сегменті спинного мозку.

У 1986 році було виявлено, що ССМ може відновити довільний руховий контроль у осіб з неповним ушкодженням спинного мозку.[11] Пізніші дослідження показали, що ССМ може викликати рухи ніг, подібні до кроку в осіб із повним пошводженням спинного мозку, змінюючи частоту стимуляції.[12] У 2002 році вперше спробували поєднати ССМ і локомоторне тренування, що призвело до миттєвого покращення ходьби.[13][14]

У 2011 році ССМ у поєднанні з інтенсивними тренуваннями дозволив людям із повним ушкодженням спинного мозку самостійно стояти з повною вагою, що вказує на можливість довільних рухів паралізованих м’язів.[15] Пізніші дослідження продемонстрували подібні результати.[16][17]

Важлива віха відбулася в 2018 році, коли шість осіб із ССМ досягли самостійної наземної ходьби з ССМ та пройшли інтенсивну реабілітацію.[18][19][20]

Було розроблено новий підхід під назвою просторово-часова ССМ, спрямована на конкретні фази циклу ходи з просторово-специфічними конфігураціями електродів.[18][21][22] Цей підхід призвів до миттєвого покращення ходьби та довгострокового відновлення рухової функції в осіб із ушкодженням спинного мозку.[23][24]

Імплантати для керування сечовипусканням

Коли пошкодження спинного мозку призводить до параплегії, пацієнтам важко спорожнити сечовий міхур, що може викликати інфекцію. У 1969 році Бріндлі розробив крижовий стимулятор передніх корінців спинного мозку, з успішними випробуваннями на людях на початку 1980-х років.[25] Даний пристрій імплантується в ганглії передніх корінців крижового відділу спинного мозку; Контрольований зовнішнім передавачем, він забезпечує переривчасту стимуляцію, яка покращує спорожнення сечового міхура. Він також допомагає в дефекації і дозволяє пацієнтам-чоловікам мати стійку повну ерекцію.

Подібна процедура стимуляції крижового нерва призначена для контролю нетримання у пацієнтів без параплегії[26].

Рухові нейропротези, керовані мозком

Рухові нейропротези, керовані мозком, пропонують людям із неврологічними захворюваннями можливість відновити руховий контроль. Існуючі нейропротези, такі як функціональна електростимуляція (ФЕС) і стимуляція спинного мозку (ССМ), можна контролювати вручну або налаштувати реагування на зовнішні кінематичні події, виявлені зовнішніми датчиками. Однак прогрес у технології нейрокомп'ютерних інтерфейсів (НКІ) уможливив пряме вилучення керуючих сигналів із мозку в протез.[27]

Нейрокомп'ютерний інтерфейс також може служити інтерфейсом керування для методів нейростимуляції. Тетраплегічні суб’єкти з інтракортикальними мікроелектродами успішно контролювали системи функціональної електростимуляції (ФЕС) для різних рухів.[28] Просторово-часова стимуляція спинного мозку (ССМ), нова технологія, також може контролюватися сигналами мозку, відкриваючи можливості для двонаправлених нейропротезів, які взаємодіють із нервовою системою як для запису, так і для стимуляції.[29][30] Ця інтеграція можливостей запису та стимуляції знаменує перспективний рубіж у розробці нейропротезів.

Інтракортикальні

Інтракортикальний НКІ, заснований на дослідженнях 1980-х років, використовує масиви мікродротів або мікроелектродів високої щільності для запису нейронної активності моторної кори. Ця технологія в поєднанні з обробкою сигналів і машинним навчанням дозволяє декодувати намічені рухи в реальному часі. Примітно, що люди з тетраплегією успішно контролюють протези рук, комп’ютерні курсори та роботизовані руки за допомогою інтракортикального ІМТ.[31][32][33][34] Деякі навіть продемонстрували контроль над складними рухами, що вимагають двосторонньої координації та розшифровки почерку.[35]

Електрокортикографічні

Електрокортикографічні імплантати (ECoG), менш інвазивні, ніж інтракортикальні, містять електродні сітки або смужки, розміщені на кортикальній поверхні або твердій мозковій оболонці. Їх використовували для керування програмами друку[36], віртуальними аватарами, екзоскелетами[37] та мовними нейропротезами[38][39]. Удосконалення імплантатів micro-ECoG з меншими електродами, більшою щільністю та гнучкими підкладками є перспективними для майбутніх застосувань.[40]

Сенсорно-рухове протезування

Електрична нейростимуляція може бути використана для стимулювання руху, як у моторних нейропротезах, але також для виклику соматичних відчуттів, таких як дотик або пропріоцепція в осіб з ампутацією кінцівок або паралічем.[1]

Когнітивні протези

Когнітивні нейропротези - пристрої, що полегшують обробку, зберігання та передачу інформації мозком людини. Людський мозок поки недостатньо вивчений, тому когнітивні нейропротези залишаються науковою фантастикою.

Електрохімічні нейропротези

Нейропротези, що використовують поєднання хімічної та електричної стимуляції і рухового тренування спинного мозку[41][42].

Див. також

Додаткова література

Книги

Статті

Журнали

Примітки

  1. а б Gupta, Ankur; Vardalakis, Nikolaos; Wagner, Fabien B. (6 січня 2023). Neuroprosthetics: from sensorimotor to cognitive disorders. Communications Biology (англ.). Т. 6, № 1. doi:10.1038/s42003-022-04390-w. ISSN 2399-3642. Процитовано 14 вересня 2023.
  2. Daniel Garrison. Minimizing Thermal Effects of In Vivo Body Sensors. Процитовано 5 травня 2010.[недоступне посилання з Апрель 2020]
  3. Управляемая разумом роботизированная рука впервые эффективно работает без мозговой имплантации (рос.). PreAbility. 20 червня 2019. Процитовано 2 липня 2019.
  4. NIH Publication No. 11-4798 (1 березня 2011). Cochlear Implants. National Institute on Deafness and Other Communication Disorders. Архів оригіналу за 12 серпня 2012. Процитовано 16 листопада 2011. as of December 2010, approximately 219,000 people worldwide have received implants. In the United States, roughly 42,600 adults and 28,400 children have received them.
  5. а б Liberson, W. T.; Holmquest, H. J.; Scot, D.; Dow, M. (1961-02). Functional electrotherapy: stimulation of the peroneal nerve synchronized with the swing phase of the gait of hemiplegic patients. Archives of Physical Medicine and Rehabilitation. Т. 42. с. 101—105. ISSN 0003-9993. PMID 13761879. Процитовано 14 вересня 2023.
  6. Mendes, Luciana A.; Lima, Íllia N.D.F.; Souza, Túlio O.; do Nascimento, George C.; Resqueti, Vanessa R.; Fregonezi, Guilherme A.F. (2020-07). Motor Neuroprosthesis for Promoting Recovery of Function After Stroke. Stroke (англ.). Т. 51, № 7. doi:10.1161/STROKEAHA.120.029235. ISSN 0039-2499. Процитовано 14 вересня 2023.
  7. Vinjamuri, Ramana, ред. (2020). Advances in Motor Neuroprostheses (англ.). Cham: Springer International Publishing, Springer Nature. doi:10.1007/978-3-030-38740-2. ISBN 978-3-030-38739-6.
  8. Nashold, B. S.; Friedman, H.; Glenn, J. F.; Grimes, J. H.; Barry, W. F.; Avery, R. (1971). Electromicturition in paraplegia: implantation of a spinal neuroprosthesis. Proceedings. Veterans Administration Spinal Cord Injury Conference. Т. 18. с. 161—165. ISSN 0083-3568. PMID 5161621. Процитовано 14 вересня 2023.
  9. а б в Marquez-Chin, Cesar; Popovic, Milos R. (24 травня 2020). Functional electrical stimulation therapy for restoration of motor function after spinal cord injury and stroke: a review. BioMedical Engineering OnLine. Т. 19, № 1. с. 34. doi:10.1186/s12938-020-00773-4. ISSN 1475-925X. Процитовано 14 вересня 2023.{{cite news}}: Обслуговування CS1: Сторінки із непозначеним DOI з безкоштовним доступом (посилання)
  10. Peckham, P. Hunter; Knutson, Jayme S. (15 серпня 2005). Functional Electrical Stimulation for Neuromuscular Applications. Annual Review of Biomedical Engineering (англ.). Т. 7, № 1. с. 327—360. doi:10.1146/annurev.bioeng.6.040803.140103. ISSN 1523-9829. Процитовано 14 вересня 2023.
  11. Barolat, Giancarlo; Myklebust, Joel B.; Wenninger, William (6 серпня 1987). Enhancement of Voluntary Motor Function Following Spinal Cord Stimulation - Case Study. Applied Neurophysiology. Т. 49, № 6. с. 307—314. doi:10.1159/000100160. ISSN 0379-2676. Процитовано 14 вересня 2023.
  12. Dimitrijevic, Milan R.; Gerasimenko, Yuri; Pinter, Michaela M. (1998-11). Evidence for a Spinal Central Pattern Generator in Humansa. Annals of the New York Academy of Sciences (англ.). Т. 860, № 1 NEURONAL MECH. с. 360—376. doi:10.1111/j.1749-6632.1998.tb09062.x. ISSN 0077-8923. Процитовано 14 вересня 2023.
  13. Herman, R.; He, J.; D'Luzansky, S.; Willis, W.; Dilli, S. (2002-02). Spinal cord stimulation facilitates functional walking in a chronic, incomplete spinal cord injured. Spinal Cord (англ.). Т. 40, № 2. с. 65—68. doi:10.1038/sj.sc.3101263. ISSN 1476-5624. Процитовано 14 вересня 2023.
  14. Carhart, M.R.; He, Jiping; Herman, R.; D'Luzansky, S.; Willis, W.T. (2004-03). Epidural spinal-cord stimulation facilitates recovery of functional walking following incomplete spinal-cord injury. IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering. Т. 12, № 1. с. 32—42. doi:10.1109/TNSRE.2003.822763. ISSN 1558-0210. Процитовано 14 вересня 2023.
  15. Harkema, Susan; Gerasimenko, Yury; Hodes, Jonathan; Burdick, Joel; Angeli, Claudia; Chen, Yangsheng; Ferreira, Christie; Willhite, Andrea; Rejc, Enrico (2011-06). Effect of epidural stimulation of the lumbosacral spinal cord on voluntary movement, standing, and assisted stepping after motor complete paraplegia: a case study. The Lancet. Т. 377, № 9781. с. 1938—1947. doi:10.1016/s0140-6736(11)60547-3. ISSN 0140-6736. Процитовано 14 вересня 2023.
  16. Angeli, Claudia A.; Edgerton, V. Reggie; Gerasimenko, Yury P.; Harkema, Susan J. (2014-05). Altering spinal cord excitability enables voluntary movements after chronic complete paralysis in humans. Brain (англ.). Т. 137, № 5. с. 1394—1409. doi:10.1093/brain/awu038. ISSN 1460-2156. Процитовано 14 вересня 2023.
  17. Rejc, Enrico; Angeli, Claudia; Harkema, Susan (24 лип. 2015 р.). Effects of Lumbosacral Spinal Cord Epidural Stimulation for Standing after Chronic Complete Paralysis in Humans. PLOS ONE (англ.). Т. 10, № 7. doi:10.1371/journal.pone.0133998. ISSN 1932-6203. Процитовано 14 вересня 2023.{{cite news}}: Обслуговування CS1: Сторінки із непозначеним DOI з безкоштовним доступом (посилання)
  18. а б Wagner, Fabien B.; Mignardot, Jean-Baptiste; Le Goff-Mignardot, Camille G.; Demesmaeker, Robin; Komi, Salif; Capogrosso, Marco; Rowald, Andreas; Seáñez, Ismael; Caban, Miroslav (2018-11). Targeted neurotechnology restores walking in humans with spinal cord injury. Nature (англ.). Т. 563, № 7729. с. 65—71. doi:10.1038/s41586-018-0649-2. ISSN 1476-4687. Процитовано 14 вересня 2023.
  19. Angeli, Claudia A.; Boakye, Maxwell; Morton, Rebekah A.; Vogt, Justin; Benton, Kristin; Chen, Yangshen; Ferreira, Christie K.; Harkema, Susan J. (27 вересня 2018). Recovery of Over-Ground Walking after Chronic Motor Complete Spinal Cord Injury. New England Journal of Medicine (англ.). Т. 379, № 13. с. 1244—1250. doi:10.1056/NEJMoa1803588. ISSN 0028-4793. Процитовано 14 вересня 2023.
  20. Gill, Megan L.; Grahn, Peter J.; Calvert, Jonathan S.; Linde, Margaux B.; Lavrov, Igor A.; Strommen, Jeffrey A.; Beck, Lisa A.; Sayenko, Dimitry G.; Van Straaten, Meegan G. (2018-11). Neuromodulation of lumbosacral spinal networks enables independent stepping after complete paraplegia. Nature Medicine (англ.). Т. 24, № 11. с. 1677—1682. doi:10.1038/s41591-018-0175-7. ISSN 1546-170X. Процитовано 14 вересня 2023.
  21. Wenger, Nikolaus; Moraud, Eduardo Martin; Gandar, Jerome; Musienko, Pavel; Capogrosso, Marco; Baud, Laetitia; Le Goff, Camille G.; Barraud, Quentin; Pavlova, Natalia (2016-02). Spatiotemporal neuromodulation therapies engaging muscle synergies improve motor control after spinal cord injury. Nature Medicine (англ.). Т. 22, № 2. с. 138—145. doi:10.1038/nm.4025. ISSN 1546-170X. Процитовано 14 вересня 2023.
  22. Capogrosso, Marco; Wagner, Fabien B.; Gandar, Jerome; Moraud, Eduardo Martin; Wenger, Nikolaus; Milekovic, Tomislav; Shkorbatova, Polina; Pavlova, Natalia; Musienko, Pavel (2018-09). Configuration of electrical spinal cord stimulation through real-time processing of gait kinematics. Nature Protocols (англ.). Т. 13, № 9. с. 2031—2061. doi:10.1038/s41596-018-0030-9. ISSN 1750-2799. Процитовано 14 вересня 2023.
  23. Kathe, Claudia; Skinnider, Michael A.; Hutson, Thomas H.; Regazzi, Nicola; Gautier, Matthieu; Demesmaeker, Robin; Komi, Salif; Ceto, Steven; James, Nicholas D. (2022-11). The neurons that restore walking after paralysis. Nature (англ.). Т. 611, № 7936. с. 540—547. doi:10.1038/s41586-022-05385-7. ISSN 1476-4687. Процитовано 14 вересня 2023.
  24. Rowald, Andreas; Komi, Salif; Demesmaeker, Robin; Baaklini, Edeny; Hernandez-Charpak, Sergio Daniel; Paoles, Edoardo; Montanaro, Hazael; Cassara, Antonino; Becce, Fabio (2022-02). Activity-dependent spinal cord neuromodulation rapidly restores trunk and leg motor functions after complete paralysis. Nature Medicine (англ.). Т. 28, № 2. с. 260—271. doi:10.1038/s41591-021-01663-5. ISSN 1546-170X. Процитовано 14 вересня 2023.
  25. Brindley GS, Polkey CE, Rushton DN (1982): Sacral anterior root stimulator for bladder control in paraplegia. Paraplegia 20: 365-381.
  26. Schmidt RA, Jonas A, Oleson KA, Janknegt RA, Hassouna MM, Siegel SW, van Kerrebroeck PE. Sacral nerve stimulation for treatment of refractory urinary urge incontinence. Sacral nerve study group. J Urol 1999 Aug;16(2):352-357.
  27. Pesaran, Bijan; Vinck, Martin; Einevoll, Gaute T.; Sirota, Anton; Fries, Pascal; Siegel, Markus; Truccolo, Wilson; Schroeder, Charles E.; Srinivasan, Ramesh (2018-07). Investigating large-scale brain dynamics using field potential recordings: analysis and interpretation. Nature Neuroscience (англ.). Т. 21, № 7. с. 903—919. doi:10.1038/s41593-018-0171-8. ISSN 1546-1726. Процитовано 14 вересня 2023.
  28. Bouton, Chad E.; Shaikhouni, Ammar; Annetta, Nicholas V.; Bockbrader, Marcia A.; Friedenberg, David A.; Nielson, Dylan M.; Sharma, Gaurav; Sederberg, Per B.; Glenn, Bradley C. (2016-05). Restoring cortical control of functional movement in a human with quadriplegia. Nature (англ.). Т. 533, № 7602. с. 247—250. doi:10.1038/nature17435. ISSN 1476-4687. Процитовано 14 вересня 2023.
  29. Capogrosso, Marco; Milekovic, Tomislav; Borton, David; Wagner, Fabien; Moraud, Eduardo Martin; Mignardot, Jean-Baptiste; Buse, Nicolas; Gandar, Jerome; Barraud, Quentin (2016-11). A brain–spine interface alleviating gait deficits after spinal cord injury in primates. Nature (англ.). Т. 539, № 7628. с. 284—288. doi:10.1038/nature20118. ISSN 1476-4687. Процитовано 14 вересня 2023.
  30. Lorach, Henri; Charvet, Guillaume; Bloch, Jocelyne; Courtine, Grégoire (29 вересня 2022). Brain–spine interfaces to reverse paralysis. National Science Review (англ.). Т. 9, № 10. doi:10.1093/nsr/nwac009. ISSN 2095-5138. Процитовано 14 вересня 2023.
  31. Velliste, Meel; Perel, Sagi; Spalding, M. Chance; Whitford, Andrew S.; Schwartz, Andrew B. (2008-06). Cortical control of a prosthetic arm for self-feeding. Nature (англ.). Т. 453, № 7198. с. 1098—1101. doi:10.1038/nature06996. ISSN 1476-4687. Процитовано 14 вересня 2023.
  32. Hochberg, Leigh R.; Bacher, Daniel; Jarosiewicz, Beata; Masse, Nicolas Y.; Simeral, John D.; Vogel, Joern; Haddadin, Sami; Liu, Jie; Cash, Sydney S. (2012-05). Reach and grasp by people with tetraplegia using a neurally controlled robotic arm. Nature (англ.). Т. 485, № 7398. с. 372—375. doi:10.1038/nature11076. ISSN 1476-4687. Процитовано 14 вересня 2023.
  33. Collinger, Jennifer L; Wodlinger, Brian; Downey, John E; Wang, Wei; Tyler-Kabara, Elizabeth C; Weber, Douglas J; McMorland, Angus JC; Velliste, Meel; Boninger, Michael L (2013-02). High-performance neuroprosthetic control by an individual with tetraplegia. The Lancet. Т. 381, № 9866. с. 557—564. doi:10.1016/s0140-6736(12)61816-9. ISSN 0140-6736. Процитовано 14 вересня 2023.
  34. Handelman, David A.; Osborn, Luke E.; Thomas, Tessy M.; Badger, Andrew R.; Thompson, Margaret; Nickl, Robert W.; Anaya, Manuel A.; Wormley, Jared M.; Cantarero, Gabriela L. (2022). Shared Control of Bimanual Robotic Limbs With a Brain-Machine Interface for Self-Feeding. Frontiers in Neurorobotics. Т. 16. doi:10.3389/fnbot.2022.918001. ISSN 1662-5218. Процитовано 14 вересня 2023.{{cite news}}: Обслуговування CS1: Сторінки із непозначеним DOI з безкоштовним доступом (посилання)
  35. Willett, Francis R.; Avansino, Donald T.; Hochberg, Leigh R.; Henderson, Jaimie M.; Shenoy, Krishna V. (2021-05). High-performance brain-to-text communication via handwriting. Nature (англ.). Т. 593, № 7858. с. 249—254. doi:10.1038/s41586-021-03506-2. ISSN 1476-4687. Процитовано 14 вересня 2023.
  36. Vansteensel, Mariska J.; Pels, Elmar G.M.; Bleichner, Martin G.; Branco, Mariana P.; Denison, Timothy; Freudenburg, Zachary V.; Gosselaar, Peter; Leinders, Sacha; Ottens, Thomas H. (24 листопада 2016). Fully Implanted Brain–Computer Interface in a Locked-In Patient with ALS. New England Journal of Medicine (англ.). Т. 375, № 21. с. 2060—2066. doi:10.1056/NEJMoa1608085. ISSN 0028-4793. Процитовано 14 вересня 2023.
  37. Benabid, Alim Louis; Costecalde, Thomas; Eliseyev, Andrey; Charvet, Guillaume; Verney, Alexandre; Karakas, Serpil; Foerster, Michael; Lambert, Aurélien; Morinière, Boris (2019-12). An exoskeleton controlled by an epidural wireless brain–machine interface in a tetraplegic patient: a proof-of-concept demonstration. The Lancet Neurology. Т. 18, № 12. с. 1112—1122. doi:10.1016/s1474-4422(19)30321-7. ISSN 1474-4422. Процитовано 14 вересня 2023.
  38. Moses, David A.; Metzger, Sean L.; Liu, Jessie R.; Anumanchipalli, Gopala K.; Makin, Joseph G.; Sun, Pengfei F.; Chartier, Josh; Dougherty, Maximilian E.; Liu, Patricia M. (15 липня 2021). Neuroprosthesis for Decoding Speech in a Paralyzed Person with Anarthria. New England Journal of Medicine (англ.). Т. 385, № 3. с. 217—227. doi:10.1056/NEJMoa2027540. ISSN 0028-4793. Процитовано 14 вересня 2023.
  39. Metzger, Sean L.; Liu, Jessie R.; Moses, David A.; Dougherty, Maximilian E.; Seaton, Margaret P.; Littlejohn, Kaylo T.; Chartier, Josh; Anumanchipalli, Gopala K.; Tu-Chan, Adelyn (8 листопада 2022). Generalizable spelling using a speech neuroprosthesis in an individual with severe limb and vocal paralysis. Nature Communications (англ.). Т. 13, № 1. с. 6510. doi:10.1038/s41467-022-33611-3. ISSN 2041-1723. Процитовано 14 вересня 2023.
  40. Fallegger, Florian; Schiavone, Giuseppe; Pirondini, Elvira; Wagner, Fabien B.; Vachicouras, Nicolas; Serex, Ludovic; Zegarek, Gregory; May, Adrien; Constanthin, Paul (2021-05). MRI‐Compatible and Conformal Electrocorticography Grids for Translational Research. Advanced Science (англ.). Т. 8, № 9. doi:10.1002/advs.202003761. ISSN 2198-3844. Процитовано 14 вересня 2023.
  41. Мусиенко П. Шаг в обход. Электрохимические нейропротезы — против паралича. // Наука и жизнь, № 12, 2012.
  42. Кирилл Стасевич Как научить спинной мозг самостоятельности // Наука и жизнь. — 2016. — № 7. — С. 14-19. — URL: http://www.nkj.ru/archive/articles/29092/