Нейропротезирование

Перейти к навигацииПерейти к поиску

Нейропротезирование — дисциплина, лежащая на стыке нейробиологии и биомедицинской инженерии и занимающаяся разработкой нейронных протезов.

Нейронные протезы являются электронными имплантатами, которые могут восстановить двигательные, чувствительные и познавательные функции, если они были утрачены в результате травмы или болезни. Примером таких устройств может служить кохлеарный имплантат. Это устройство восстанавливает функции, выполняемые барабанной перепонкой и стремечком, за счёт имитации частотного анализа в ушной улитке. Микрофон, установленный снаружи, улавливает звуки и обрабатывает их; тогда обработанный сигнал передается на имплантированный блок, который через микроэлектродный массив стимулирует волокна слухового нерва в улитке. Посредством замены или усиления утраченных чувств, эти устройства намерены улучшить качество жизни для людей с ограниченными возможностями.

Эти имплантируемые устройства также часто используются в нейробиологии в экспериментах на животных как инструмент, помогающий при изучении мозга и его функционирования. При беспроводном мониторинге электрические сигналы мозга рассылаются посредством электродов, вживленных в мозг субъекта, при этом субъект может быть изучен без устройства, влияющего на результаты.

Точное зондирование и запись электрических сигналов в мозге поможет лучше понять связи между локальными скоплениями нейронов, отвечающие за определенные функции.

Нейронные имплантаты проектируются настолько маленькими, насколько это возможно, чтобы минимизировать инвазивность, особенно в районах, окружающих мозг, глаза или ушные улитки. Эти имплантаты обычно имеют беспроводную связь со своими протезами. Кроме того, питание легко получается через беспроводную передачу электричества через кожу. Ткань рядом с имплантатом очень чувствительна к увеличению температуры. Это означает, что потребляемая мощность должна быть минимальна, чтобы избежать повреждения ткани.[1]

В 2019 году группе из Университета Карнеги-Меллона, используя неинвазивный интерфейс, удалось получить доступ к сигналам глубоко внутри мозга и разработать первую в мире управляемую разумом роботизированную руку, которая способна непрерывно и плавно следовать за курсором компьютера.[2]

Сейчас в нейропротезировании наиболее широко используется кохлеарный имплантат. По состоянию на декабрь 2010 года его получили около 219 тысяч человек во всем мире.[3]

История

Первый известный кохлеарный имплантат был создан в 1957 году. Другими важными вехами являются создание первого двигательного протеза для свисающей стопы при гемиплегии в 1961 году, создание первого слухового стволомозгового имплантата в 1977 году и периферического нейромоста, вживленного в спинной мозг взрослой крысе 1981 году.

Сенсорное протезирование

Зрительное протезирование

Слуховое протезирование

Кохлеарные имплантаты, слуховые имплантаты ствола головного мозга и слуховые имплантаты среднего мозга являются тремя основными категориями для слуховых протезов.

Кохлеарные имплантаты используются для обеспечения развития разговорной речи у глухих с рождения детей. Кохлеарные имплантаты имплантированы примерно 80 000 детей во всем мире.

Протезирование для облегчения боли

Двигательное протезирование

Имплантаты, контролирующие мочеиспускание

Основная статья: Sacral anterior root stimulator.

Когда поражение спинного мозга приводит к параплегии, у пациентов затрудняется опорожнение мочевого пузыря, что может вызвать инфекцию. В 1969 году Бриндли разработал крестцовый стимулятор передних корешков спинного мозга, с успешными испытаниями на людях в начале 1980-х годов.[4] Это устройство имплантируется в ганглии передних корешков крестцового отдела спинного мозга; Контролируемый внешним передатчиком, он обеспечивает прерывистую стимуляцию, которая улучшает опорожнение мочевого пузыря. Он также помогает в дефекации и позволяет пациентам-мужчинам иметь устойчивую полную эрекцию.

Подобная процедура стимуляции крестцового нерва предназначена для контроля недержания у пациентов с без параплегии[5].

Двигательные протезы для сознательного контроля движением

Сенсорно-двигательное протезирование

Когнитивные протезы

Когнитивные нейропротезы — устройства облегчающие обработку, хранение и передачу информации мозгом человека. Человеческий мозг пока недостаточно изучен, поэтому когнитивные нейропротезы остаются научной фантастикой.

Электрохимические нейропротезы

Нейропротезы, использующие сочетание химической и электрической стимуляции и двигательной тренировки спинного мозга[6][7]

Примечания

  1. ↑ Daniel Garrison. Minimizing Thermal Effects of In Vivo Body Sensors. Дата обращения: 5 мая 2010. (недоступная ссылка)
  2. ↑ Управляемая разумом роботизированная рука впервые эффективно работает без мозговой имплантации. PreAbility (20 июня 2019). Дата обращения: 2 июля 2019. Архивировано 2 июля 2019 года.
  3. ↑ NIH Publication No. 11-4798. Cochlear Implants. National Institute on Deafness and Other Communication Disorders[англ.] (1 марта 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.» Дата обращения: 16 ноября 2011. Архивировано 12 августа 2012 года.
  4. ↑ Neuroprosthetics - Wikipedia
  5. ↑ Neuroprosthetics - Wikipedia
  6. ↑ Мусиенко П. Шаг в обход. Электрохимические нейропротезы — против паралича. Архивная копия от 13 декабря 2012 на Wayback Machine // Наука и жизнь, № 12, 2012.
  7. ↑ Кирилл Стасевич Как научить спинной мозг самостоятельности // Наука и жизнь. — 2016. — № 7. — С. 14-19. — URL: http://www.nkj.ru/archive/articles/29092/ Архивная копия от 12 марта 2017 на Wayback Machine