Neuroengineering

Den aktuelle version af siden er endnu ikke blevet gennemgået af erfarne bidragydere og kan afvige væsentligt fra den version , der blev gennemgået den 12. oktober 2013; checks kræver 11 redigeringer .

Neuroengineering er en videnskabelig retning inden for biomedicinsk teknik , der bruger forskellige ingeniørmetoder til at studere, genoprette eller forbedre nervesystemet . Neuroengineering løser forskellige unikke problemer relateret til problemerne med at kombinere levende neurale strukturer og ikke-levende strukturer. ( Hetling, 2008 )

Oversigt

Neuroengineering trækker fra områderne computational neuroscience , eksperimentel neuroscience , klinisk neuroscience, elektroteknik og omfatter elementer af robotik , kybernetik , computerteknik, materialevidenskab og nanoteknologi .

Listen over hovedmål på dette område omfatter genoprettelse og udvidelse af menneskelige funktioner gennem direkte interaktion mellem nervesystemet og kunstige enheder.

Meget aktuel forskning er fokuseret på at forstå kodningen og bearbejdningen af ​​information i sensoriske og motoriske systemer, kvantificere, hvordan denne behandling ændrer sig i en patologisk tilstand, og hvordan den kan manipuleres med kunstige enheder, herunder hjerne-computer-grænseflader og neuroproteser .

Anden forskning fokuserer mere på eksperimenter, herunder brugen af ​​neurale implantater forbundet med eksterne enheder.

Historie

Fordi neuroengineering er et relativt nyt område, er information og forskning relateret til det ret begrænset. De første tidsskrifter specifikt dedikeret til neuroengineering - Journal of Neural Engineering og Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation blev udgivet i 2004. Internationale Neuroengineering-konferencer har været vært for IEEE siden 2003, fra den 29. april til den 2. maj 2009 i Antalya, Tyrkiet 4. Neuroengineering Conference, 5. IEEE EMBS International Neuroengineering Conference i april/maj 2011 i Cancun, Mexico og 6. konference i San Diego Californien i november 2013. Den 7. konference fandt sted i april 2015 i Montpellier. Den ottende konference blev afholdt i maj 2017 i Shanghai.

Grundlæggende

Det grundlæggende grundlag for neuroengineering involverer sammenkoblingen af ​​neuroner, neurale netværk og nervesystemfunktioner med kvantificerbare modeller for at hjælpe med at udvikle enheder, der kan fortolke og kontrollere signaler og producere målrettede reaktioner.

Neurovidenskab

De budskaber, som kroppen bruger til tanker, følelser og bevægelser, overføres med nerveimpulser gennem hjernevævet og til resten af ​​kroppen. Neuroner er den grundlæggende funktionelle enhed i nervesystemet og er højt specialiserede celler, der er i stand til at transmittere disse signaler. Neuroner har særlige elektrokemiske egenskaber, der gør det muligt for dem at behandle information og derefter overføre denne information til andre celler. Neuronal aktivitet afhænger af nervemembranens potentiale og de ændringer, der sker langs og på tværs af den. En konstant spænding, kendt som et membranpotentiale , opretholdes normalt af specifikke koncentrationer af specifikke ioner på tværs af neuronale membraner. Forstyrrelser eller ændringer i denne spænding skaber en ubalance eller polarisering over membranen. Depolarisering af membranen efter en tærskelpotentialovergang genererer et aktionspotentiale, som er hovedkilden til signaltransduktion kendt som neurotransmission . Aktionspotentialet resulterer i en kaskade af ionstrøm ned gennem den aksonale membran, hvilket skaber en effektiv kæde af spændingsspidser, et "elektrisk signal", der kan overføre yderligere elektriske ændringer til andre celler. Signaler kan genereres af elektriske, kemiske, magnetiske, optiske og andre former for stimuli, der påvirker strømmen af ​​ladninger og spændingsniveauer på nervemembraner.

Engineering

Ingeniører skaber kvantitative værktøjer, der bruges til at interagere med komplekse neurale systemer. Metoder til at studere og generere kemiske, elektriske, magnetiske og optiske signaler, der er ansvarlige for ekstracellulære feltpotentialer og synaptisk transmission i nervevæv, hjælper forskere med at modulere nervesystemets aktivitet. For at forstå egenskaberne ved neurale systemaktivitet bruger ingeniører signalbehandlingsteknikker og computersimuleringer. For at behandle disse signaler skal ingeniører oversætte den neurale membranspænding til en passende kodeproces, kendt som neural kodning. Neural kodning bruger forskning i, hvordan hjernen koder for simple kommandoer i form af centrale mønstergeneratorer (CPG'er), bevægelsesvektorer, en intern model af lillehjernen og somatiske kort til at forstå bevægelses- og sansefænomener. Afkodning af disse signaler i neurovidenskab er den proces, hvorved neuroner forstår den spænding, der er blevet overført til dem. Transformationer involverer mekanismer, hvorved signaler af en bestemt form fortolkes og derefter oversættes til en anden form. Ingeniører søger matematisk at modellere disse transformationer. Der er mange måder at optage disse signaler på. De kan være intracellulære eller ekstracellulære. Ekstracellulære metoder omfatter enkeltoptagelser, ekstracellulære feltpotentialer og amperometri. For nylig er multielektrode-arrays blevet brugt til at optage og simulere signaler.

Omfang

Neuromekanik

Neuromekanik er en kombination af neurovidenskab, biomekanik og robotik. Forskere bruger banebrydende metoder og modeller til at studere neurale vævs mekaniske egenskaber og deres indflydelse på vævs evne til at modstå og generere kraft og bevægelse, såvel som deres sårbarhed over for traumatisk belastning. Dette forskningsområde har til formål at transformere transformationen af ​​information mellem de neuromuskulære og skeletsystemer for at udvikle funktioner og regulatoriske regler vedrørende funktion og organisering af disse systemer. Neuromekanik kan modelleres ved at forbinde beregningsmodeller af neurale kredsløb med modeller af dyrekroppe placeret i virtuelle fysiske verdener. Eksperimentelle analyser af biomekanik, herunder bevægelsens kinematik og dynamik, processen og mønstrene for motorisk og sensorisk feedback under bevægelse, og kredsløbet og den synaptiske organisering af hjernen, der er ansvarlig for motorisk kontrol, udforskes i øjeblikket for at forstå kompleksiteten af ​​dyrebevægelser . Dr. Michel Laplacs laboratorium ved Georgia Institute of Technology studerer mekanisk strækning af cellekulturer, forskydningsdeformationer af plane cellekulturer og forskydningsdeformationer af tredimensionelle matricer indeholdende celler. Forståelse af disse processer ledsages af udviklingen af ​​funktionelle modeller, der er i stand til at karakterisere disse systemer i et lukket kredsløb med specielt definerede parametre. Neuromekanik forskning er fokuseret på at forbedre behandlinger af fysiologiske helbredsproblemer, som omfatter optimering af protesedesign, genoprettelse af bevægelse efter skade og design og styring af mobile robotter. Ved at studere strukturer i 3D-hydrogeler kan forskere identificere nye modeller for nervecellers mekaniske egenskaber. For eksempel har La Placa et al. udviklet en ny model, der viser, at stammen kan spille en rolle i cellekultur.

Neuromodulation

Neuromodulation sigter mod at behandle sygdom eller skade ved hjælp af medicinsk udstyr, der kan forbedre eller undertrykke nervesystemets aktivitet ved at levere farmaceutiske midler, elektriske signaler eller andre former for energisk stimulus for at genoprette balancen til beskadigede områder af hjernen. Forskere inden for dette felt står over for udfordringen med at kombinere fremskridt inden for forståelse af neurale signaler med fremskridt inden for teknologier, der leverer og analyserer disse signaler med øget følsomhed, biokompatibilitet og levedygtighed i lukkede kredsløb i hjernen, så nye terapier og kliniske applikationer kan skabes til behandling af personer, der lider af skader på nervesystemet af forskellige typer. Neuromodulerende enheder kan korrigere nervesystemdysfunktion forbundet med Parkinsons sygdom, dystoni, tremor, Tourettes sygdom, kroniske smerter, OCD, svær depression og i sidste ende epilepsi. Neuromodulation er attraktiv til behandling af en række defekter, fordi den kun fokuserer på behandling af meget specifikke områder af hjernen, i modsætning til systemiske behandlinger, der kan have bivirkninger på kroppen. Neuromodulatorstimulatorer, såsom sæt af mikroelektroder, kan stimulere og registrere hjernens funktion og bør med yderligere forbedringer blive justerbare og følsomme leveringsanordninger for lægemidler og andre stimuli.

Restaurering af nervevæv

Neuroengineering bruges til at studere funktionerne i det perifere og centrale nervesystem og til at finde kliniske løsninger på problemer forårsaget af beskadigelse eller funktionsfejl i hjernen. Engineering anvendt til neuroregenerering fokuserer på tekniske anordninger og materialer, der fremmer neuronal vækst til specifikke applikationer såsom perifer nerveskaderegenerering, rygmarvsvævsregenerering for rygmarvsskade og retinalvævsregenerering. Genteknologi og vævsteknologi er områder inden for udvikling af stilladser til genvækst af rygmarven.

Forskning og applikationer

Neuroimaging

Neuroimaging-teknikker bruges til at studere aktiviteten af ​​neurale netværk, såvel som hjernens strukturer og funktioner. Neuroimaging-teknologier omfatter funktionel magnetisk resonansbilleddannelse (fMRI), magnetisk resonansbilleddannelse (MRI), positronemissionstomografi (PET) og computertomografi (CAT). Funktionelle neuroimaging undersøgelser ser på, hvilke dele af hjernen, der udfører specifikke opgaver. fMRI måler hæmodynamisk aktivitet, som er tæt forbundet med neuronal aktivitet. Den undersøger hjernen ved at indstille scanneren til en bestemt bølgelængde for at se, hvilken del af hjernen, der aktiveres af forskellige opgaver. PET, CT-scannere og elektroencefalografi (EEG) udvikles og bruges til lignende formål.

Neurale netværk

Forskere kan bruge eksperimentelle observationer af neurale systemer og teoretiske og beregningsmæssige modeller af disse systemer til at skabe neurale netværk så realistiske som muligt. Neurale netværk kan bruges til at analysere data for at hjælpe med at designe yderligere neuroteknologiske enheder. Især er forskere engageret i analytisk eller finite element-modellering for at bestemme kontrollen af ​​nervesystemets bevægelser og anvende disse metoder til at hjælpe patienter med hjerneskade eller lidelser. Modeller kan repræsentere ionkoncentrationsdynamik, kanalkinetik, synaptisk transmission, enkeltneuronberegning, oxygenmetabolisme eller anvendelse af dynamisk systemteori.

Neurointerfaces

Neurale grænseflader er hovedelementet i studiet af neurale systemer og forbedring/erstatning af neurale funktioner. Ingeniører står over for udfordringen med at udvikle elektroder, der selektivt kan fange data fra tilknyttede elektroniske kredsløb for at indsamle information om nervesystemets aktivitet og stimulere specifikke områder af nervevæv til at genoprette funktion eller fornemmelse i det væv. Materialerne, der anvendes til disse enheder, skal matche de mekaniske egenskaber af det neurale væv, hvori de er placeret, og skader skal vurderes. Neuronal interaktion omfatter midlertidig regenerering af stilladser lavet af biomaterialer eller kroniske elektroder og bør regulere kroppens reaktion på fremmede materialer. Microelectrode arrays er nyere fremskridt, der kan bruges til at studere neurale netværk. Optiske neurale grænseflader omfatter optiske optagelser og optogenetisk stimulering, som gør hjerneceller lysfølsomme. Fiberoptik kan implanteres i hjernen for at stimulere og registrere denne fotonaktivitet i stedet for elektroder. To-foton excitationsmikroskopi kan studere levende neurale netværk og kommunikationshændelser mellem neuroner.

BCI

Neurocomputer-grænseflader er rettet mod direkte kommunikation med det menneskelige nervesystem til overvågning og stimulering af nervekredsløb, samt til diagnosticering og behandling af intern neurologisk dysfunktion. Dyb hjernestimulering er et betydeligt fremskridt på dette område, som er særligt effektivt til behandling af bevægelsesforstyrrelser såsom Parkinsons sygdom, med højfrekvent stimulering af nervevæv for at undertrykke tremor.

Mikrosystemer

Neurale mikrosystemer kan designes til at fortolke og levere elektriske, kemiske, magnetiske og optiske signaler til neuralt væv. De kan detektere ændringer i membranpotentialet og måle elektriske egenskaber (såsom overspænding, amplitude eller hastighed) ved hjælp af elektroder eller ved at vurdere kemiske koncentrationer, fluorescerende lysintensitet eller magnetfeltpotentiale. Formålet med disse systemer er at levere signaler, der vil påvirke potentialet af neuronalt væv og dermed stimulere hjernevæv til at producere den ønskede respons.

Mikroelektrode-arrays

Microelectrode arrays er specielle værktøjer, der bruges til at detektere pludselige spændingsændringer i det ekstracellulære miljø, der er et resultat af udbredelsen af ​​et aktionspotentiale ned ad axonen. Mark Allen og LaPlaca skabte mikrobielle 3D-elektroder lavet af cytokompatible materialer såsom SU-8 og SLA polymerer, hvilket førte til in vitro og in vivo mikroelektrodesystemer med høj ydeevne fleksibilitet og minimering af vævsdestruktion.

Neuroproteser

Neuroproteser er enheder, der er i stand til at supplere eller erstatte de manglende funktioner i nervesystemet ved at stimulere og registrere dets aktivitet. Elektroder, der måler nervernes funktion, kan integreres med proteser og signalere dem til at udføre den funktion, som det transmitterede signal giver. Sensoriske proteser bruger kunstige sensorer til at erstatte neurale input, der måske ikke er til stede i biologiske kilder. Ingeniørerne, der undersøger disse enheder, er ansvarlige for at give en kronisk, sikker, kunstig interaktion med neuralt væv. Den måske mest succesrige af disse sensoriske proteser er cochleaimplantatet , som genopretter høreevnen hos døve. Protesen til at genoprette blinde menneskers visuelle evner er stadig på et enklere udviklingsstadium.

Motorproteser er anordninger forbundet med elektrisk stimulering af det biologiske nervemuskelsystem, som kan erstatte hjernens eller rygmarvens kontrolmekanismer. Smarte proteser kunne designes til at erstatte manglende lemmer styret af nervesignaler ved at transplantere nerver fra den amputeredes stump til musklerne. Sensoriske proteser giver sensorisk feedback ved at konvertere mekaniske stimuli fra periferien til kodet information tilgængelig for nervesystemet. Elektroder placeret på huden kan fortolke signalerne og derefter styre proteselemmet. Disse proteser har haft stor succes. Funktionel elektrisk stimulation (FES) er et system, der har til formål at genoprette motoriske processer såsom at stå, gå og gribe om hænder.

Neurorobotics (Neuro robotics)

Neurorobotics er studiet af, hvordan neurale systemer kan efterligne bevægelser i mekaniske maskiner. Neurobotter bruges almindeligvis til at studere motorisk kontrol og bevægelse, indlæring og aktivering af hukommelsesområder og værdisystemer og handlingsvalg. Ved at studere neurorobotter under virkelige forhold er de nemmere at observere og evaluere for at beskrive heuristikken af ​​robotfunktion i form af indlejrede neurale systemer og disse systemers reaktioner på miljøet (Krichmar 2008). For eksempel er effektiviteten af ​​metoden til modellering af anfaldsreduktion ved hjælp af en pseudospektral protokol allerede blevet bevist ved hjælp af en beregningsmodel af dynamikken i epileptiske udbrud. En beregningsmodel simulerer en hjerneforbindelse ved hjælp af magnetisk resonans fra en patient, der lider af idiopatisk generaliseret epilepsi . Metoden genererer impulser, der kan reducere kramper.

Regenerering af nervevæv

Nervevævsregenerering eller neuroregenerering - har til formål at genoprette funktionen af ​​de neuroner, der blev beskadiget under skader. Funktionel reparation af beskadigede nerver involverer at genoprette en uafbrudt aksonal regenereringsvej til innervationsstedet. Forskere som Dr. Laplaka ved Georgia Institute of Technology sigter mod at hjælpe med at finde behandlinger til genopretning og regenerering efter traumatisk hjerneskade og rygmarvsskade ved at anvende vævstekniske strategier. Dr. Laplaka udforsker metoder, der kombinerer stamceller med et ekstracellulært matrixproteinbaseret stillads til minimalt invasiv levering til uregelmæssigt formede læsioner, der dannes efter traumatisk skade. Ved at studere neurale stamceller in vitro og udforske alternative cellekilder, udvikle nye biopolymerer, der kan bruges i stilladser, og in vivo undersøge celle- eller vævsmanipulerede transplantater i modeller af traumatisk hjerneskade og rygmarvsskade, sigter Dr. LaPlacas laboratorium på at bestemme optimale strategier for nervegenetablering efter skade.

Moderne tilgange til klinisk behandling

Gennem kirurgisk sutur af beskadigede nerveender kan reparere små rifter med autologe nervetransplantater. Ved mere alvorlige skader kan et autologt nervetransplantat, der er blevet fjernet fra et andet område af kroppen, bruges, selvom processen er tidskrævende, dyr og kræver to operationer (Schmidt & Leach 2003). Klinisk behandling af CNS er minimalt tilgængelig og fokuserer primært på at reducere sideskader forårsaget af fragmenter nær skadestedet eller betændelsesstedet. Efter hævelse reduceres det omgivende traume, patienterne rehabiliteres, så de resterende nerver kan trænes til at kompensere for den manglende neurale funktion i de beskadigede nerver. Der findes i øjeblikket ingen behandling til at genoprette nervefunktionen til beskadigede CNS-nerver (Schmidt & Leach 2003).

Tekniske strategier til reparationer

Tekniske strategier til genopretning af rygmarvsskader er rettet mod at skabe gunstige betingelser for nerveregenerering. Indtil nu har kun skader på PNS-nerverne været klinisk mulige, men fremskridt inden for forskning i genetiske metoder og biomaterialer viser muligheden for regenerering af SC-nerverne under acceptable forhold.

Vaccinationer

Fordelen ved vævsautografter er, at de er afledt af naturlige materialer, der har et højt potentiale for biokompatibilitet, samtidig med at de giver strukturel støtte til nerver, der fremmer celleadhæsion og migration (Schmidt & Leach 2003). Neonatalt væv, acellulære transplantater og ekstracellulære matrixmaterialer er alle muligheder, der også kan give ideelle stilladser til nerveregenerering. Nogle af disse stammer fra allogent eller xenogent væv, som skal kombineres med immunsuppressiva. mens andre omfatter tyndtarmssubmucosa og fostervævstransplantationer (Schmidt & Leach 2003). Syntetiske materialer er attraktive muligheder, fordi deres fysiske og kemiske egenskaber normalt kan kontrolleres. Et problem, der forbliver med syntetiske materialer, er biokompatibilitet (Schmidt & Leach 2003). Methylcellulose-baserede konstruktioner har vist sig at være en biokompatibel mulighed til dette formål (Tate et al. 2001). AxoGen bruger AVANCE cellegraft-teknologi til at efterligne en menneskelig nerve. Det har vist sig at opnå betydelig bedring hos 87 procent af patienter med perifer nerveskade. [7]

Nervekanaler

Nerveguider, nerveguider er innovative strategier rettet mod større defekter, der giver en vej for axonspirer til at guide vækst og reducere væksthæmning fra arvæv. Neurale styrekanaler skal let formes til ønskede dimensioner, steriliserbare, rivefaste, lette at håndtere og suturere (Schmidt & Leach 2003). Ideelt set bør de nedbrydes over tid, efterhånden som nerver regenereres, være fleksible, semipermeable, bevare deres form og have en glat indre væg, der efterligner strukturen af ​​en rigtig nerve (Schmidt & Leach 2003).

Biomolekylær terapi

Strengt kontrollerede leveringssystemer er nødvendige for at stimulere regenereringen af ​​nervesystemet. Neurotrofiske faktorer kan påvirke udvikling, overlevelse, vækst og forgrening. Neurotrofiner omfatter nervevækstfaktor (NGF), hjerneafledt neurotrofisk faktor (BDNF), neurotrofin-3 (NT-3) og neurotrofin-4/5 (NT-4/5). Andre faktorer er ciliær neurotrofisk faktor (CNTF), glialcellelinjeafledt vækstfaktor (GDNF) og sur og basisk fibroblastvækstfaktor (aFGF, bFGF), som stimulerer en række neurale reaktioner. (Schmidt & Leach 2003) Fibronectin har også vist sig at understøtte nerveregenerering efter TBI hos rotter (Tate et al. 2002). Andre terapier sigter mod at regenerere nerver ved at aktivere regenereringsassocierede gener (RAG'er), komponenter i det neuronale cytoskelet og anti-apoptotiske faktorer. RAG'er inkluderer GAP-43 og Cap-23, adhæsionsmolekyler såsom L1-familien, NCAM og N-cadherin (Schmidt & Leach 2003). Der er også mulighed for at blokere hæmmende biomolekyler i CNS på grund af glial ardannelse. Nogle behandlinger for chondroitinase ABC og blokering af NgR, ADP-ribose er i øjeblikket ved at blive undersøgt (Schmidt & Leach 2003).

Leveringsmetoder

Leveringsanordninger skal være biokompatible og stabile in vivo. Nogle eksempler omfatter osmotiske pumper, silikonereservoirer, polymermatricer og mikrosfærer. Genterapimetoder er også blevet undersøgt for at tilvejebringe langsigtet produktion af vækstfaktorer og kunne leveres med virale eller ikke-virale vektorer såsom lipoplexer. Celler er også effektive bærere til levering af ECM-komponenter, neurotrofiske faktorer og celleadhæsionsmolekyler. Olfaktoriske skedeceller (OEC'er) og stamceller, såvel som genetisk modificerede celler, er blevet brugt som transplantationer for at understøtte nerveregenerering.

Avanceret terapi

Avanceret terapi kombinerer komplekse vejledningskanaler og multiple stimuli, der fokuserer på interne strukturer, der efterligner neural arkitektur, der indeholder interne matricer af langsgående justerede fibre eller kanaler. Fremstillingen af ​​disse strukturer kan bruge en række teknikker: magnetisk justering af polymerfiber, sprøjtestøbning, faseadskillelse, fri-form fremstilling i fast form og harpiks inkjet print.

Forbedring af nervesystemet

Forbedring af det menneskelige neurale system, eller menneskelig forbedring gennem teknik, er en anden mulig anvendelse af neuroengineering. Dyb hjernestimulering er blevet bemærket af patienter, der i øjeblikket bruger denne behandling for neurologiske lidelser for allerede at forbedre hukommelsen. Det antages, at hjernestimuleringsmetoder er i stand til at forme følelser og personlighed, samt øge motivationen, reducere hæmninger mv. efter personens anmodning. De etiske spørgsmål forbundet med denne menneskelige empowerment er et nyt sæt spørgsmål, der skal konfronteres, efterhånden som disse undersøgelser udvikler sig.

Se også

  • Neurocomputer interface
  • Neuralink
  • hjernelæsning
  • Kybernetik
  • cyberware
  • Neuroprotetik
  • Neurosikkerhed
  • Sensorisk substitution
  • Simuleret virkelighed
  • Protese Neuronal Memory Silicium Chips

Referencer

  • Neuroengineering (2007) ISBN 978-0-8493-8174-4
  • Neural Engineering (Bioelectric Engineering) (2005) ISBN 978-0-306-48609-8
  • Operativ neuromodulation: bind 1: Funktionel neuroprotetisk kirurgi. An Introduction (2007) ISBN 978-3-211-33078-4
  • Deep Brain Stimulation for Parkinsons Disease (2007) ISBN 978-0-8493-7019-9
  • Håndbog i Stereotaktisk og Funktionel Neurokirurgi (2003) ISBN 978-0-8247-0720-0
  • Neurale proteser: grundlæggende studier (1990) ISBN 978-0-13-615444-0
  • IEEE Handbook of Neural Engineering (2007) ISBN 978-0-470-05669-1
  • Foundations on Cellular Neurophysiology (1995) ISBN 978-0-262-10053-3

Noter

Relaterede magasiner