Neuroinženýrství

Neuroinženýrství je vědecký směr v rámci biomedicínského inženýrství , který využívá různé inženýrské metody ke studiu, obnově nebo zlepšení nervového systému . Neuroinženýrství řeší různé unikátní problémy související s problémy kombinování živých nervových struktur a neživých struktur. ( Hetling, 2008 )

Přehled

Neuroinženýrství čerpá z oblasti výpočetní neurovědy , experimentální neurovědy , klinické neurovědy, elektrotechniky a zahrnuje prvky robotiky , kybernetiky , počítačového inženýrství, materiálové vědy a nanotechnologie .

Seznam hlavních cílů v této oblasti zahrnuje obnovu a rozšíření lidských funkcí prostřednictvím přímé interakce mezi nervovým systémem a umělými zařízeními.

Mnoho současných výzkumů se zaměřuje na pochopení kódování a zpracování informací v senzorických a motorických systémech, na kvantifikaci toho, jak se toto zpracování mění v patologickém stavu, a jak s ním lze manipulovat pomocí umělých zařízení, včetně rozhraní mozek-počítač a neuroprotetiky .

Další výzkum se zaměřuje spíše na experimentování, včetně použití neurálních implantátů spojených s externími zařízeními.

Historie

Vzhledem k tomu, že neuroinženýrství je relativně nový obor, informace a výzkum s ním související jsou spíše omezené. První časopisy speciálně věnované neuroinženýrství – The Journal of Neural Engineering a The Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation byly publikovány v roce 2004. Mezinárodní neuroinženýrské konference pořádá IEEE od roku 2003, od 29. dubna do 2. května 2009 v turecké Antalyi 4. neuroinženýrská konference, 5. mezinárodní neuroinženýrská konference IEEE EMBS v dubnu/květnu 2011 v mexickém Cancúnu a 6. konference v San Diegu, Kalifornie v listopadu 2013. 7. konference se konala v dubnu 2015 v Montpellier. Osmá konference se konala v květnu 2017 v Šanghaji.

Základy

Základní základy neuroinženýrství zahrnují propojení neuronů, neuronových sítí a funkcí nervového systému s kvantifikovatelnými modely, které pomohou vyvinout zařízení, která by mohla interpretovat a řídit signály a vytvářet cílené reakce.

Neurověda

Zprávy, které tělo používá pro myšlenky, pocity a pohyby, jsou přenášeny nervovými impulsy přes mozkovou tkáň a do zbytku těla. Neurony jsou základní funkční jednotkou nervového systému a jsou vysoce specializovanými buňkami schopnými přenášet tyto signály. Neurony mají speciální elektrochemické vlastnosti, které jim umožňují zpracovávat informace a následně je přenášet do dalších buněk. Neuronová aktivita závisí na potenciálu nervové membrány a na změnách, které se vyskytují podél a napříč ní. Konstantní napětí, známé jako membránový potenciál , je obvykle udržováno specifickými koncentracemi specifických iontů přes neuronální membrány. Poruchy nebo změny tohoto napětí vytvářejí nerovnováhu nebo polarizaci přes membránu. Depolarizace membrány po přechodu prahového potenciálu vytváří akční potenciál, který je hlavním zdrojem přenosu signálu známého jako neurotransmise . Akční potenciál má za následek kaskádu toku iontů axonální membránou, čímž se vytvoří účinný řetězec napěťových špiček, „elektrický signál“, který může přenášet další elektrické změny do jiných buněk. Signály mohou být generovány elektrickými, chemickými, magnetickými, optickými a jinými formami stimulů, které ovlivňují tok nábojů a úrovně napětí na nervových membránách.

Strojírenství

Inženýři vytvářejí kvantitativní nástroje používané k interakci se složitými nervovými systémy. Metody pro studium a generování chemických, elektrických, magnetických a optických signálů odpovědných za potenciály extracelulárního pole a synaptický přenos v nervové tkáni pomáhají výzkumníkům při modulaci aktivity nervového systému. K pochopení vlastností aktivity nervového systému používají inženýři techniky zpracování signálu a počítačové simulace. Ke zpracování těchto signálů musí inženýři převést napětí neurální membrány do vhodného kódovacího procesu, známého jako neurální kódování. Neurální kódování využívá výzkum toho, jak mozek kóduje jednoduché příkazy ve formě generátorů centrálních vzorů (CPG), pohybových vektorů, vnitřního modelu mozečku a somatických map k pochopení pohybu a smyslových jevů. Dekódování těchto signálů v neurovědách je proces, kterým neurony chápou napětí, které k nim bylo přeneseno. Transformace zahrnují mechanismy, kterými jsou signály určité formy interpretovány a poté převedeny do jiné formy. Inženýři se snaží tyto transformace matematicky modelovat. Existuje mnoho způsobů, jak tyto signály zaznamenat. Mohou být intracelulární nebo extracelulární. Extracelulární metody zahrnují jednotlivé záznamy, extracelulární potenciály pole a ampérometrii. V poslední době se k záznamu a simulaci signálů používají multielektrodová pole.

Rozsah

Neuromechanika

Neuromechanika je kombinací neurovědy, biomechaniky a robotiky. Vědci používají nejmodernější metody a modely ke studiu mechanických vlastností nervových tkání a jejich vlivu na schopnost tkání odolávat a generovat sílu a pohyb, stejně jako jejich zranitelnost vůči traumatickému zatížení. Tato oblast výzkumu si klade za cíl transformovat transformaci informací mezi neuromuskulárním a kosterním systémem za účelem rozvoje funkcí a regulačních pravidel týkajících se fungování a organizace těchto systémů. Neuromechaniku lze modelovat propojením výpočtových modelů neuronových obvodů s modely zvířecích těl umístěných ve virtuálních fyzických světech. Experimentální analýzy biomechaniky, včetně kinematiky a dynamiky pohybu, procesu a vzorců motorické a senzorické zpětné vazby během pohybu a obvodů a synaptické organizace mozku zodpovědné za řízení motoru, jsou v současné době zkoumány, aby bylo možné pochopit složitost pohybu zvířat. . Laboratoř Dr. Michela Laplaca na Georgia Institute of Technology studuje mechanické natahování buněčných kultur, smykové deformace planárních buněčných kultur a smykové deformace trojrozměrných matric obsahujících buňky. Pochopení těchto procesů je doprovázeno vývojem funkčních modelů schopných charakterizovat tyto systémy v uzavřené smyčce se speciálně definovanými parametry. Výzkum neuromechaniky se zaměřuje na zlepšení léčby fyziologických zdravotních problémů, které zahrnují optimalizaci designu protéz, obnovení pohybu po zranění a návrh a ovládání mobilních robotů. Studiem struktur v 3D hydrogelech mohou vědci identifikovat nové modely mechanických vlastností nervových buněk. Například La Placa et al. vyvinuli nový model, který ukazuje, že kmen může hrát roli v buněčné kultuře.

Neuromodulace

Neuromodulace se zaměřuje na léčbu onemocnění nebo zranění pomocí lékařských zařízení, která by mohla zvýšit nebo potlačit aktivitu nervového systému dodáním farmaceutických činidel, elektrických signálů nebo jiných forem energetických stimulů k obnovení rovnováhy do poškozených oblastí mozku. Výzkumníci v této oblasti čelí výzvě spojit pokroky v porozumění nervových signálů s pokroky v technologiích, které dodávají a analyzují tyto signály se zvýšenou citlivostí, biokompatibilitou a životaschopností v uzavřených obvodech v mozku, aby bylo možné vytvořit nové terapie a klinické aplikace. k léčbě osob trpících poškozením nervového systému různého typu. Neuromodulační přístroje mohou korigovat dysfunkci nervového systému spojenou s Parkinsonovou chorobou, dystonií, třesem, Tourettovou chorobou, chronickou bolestí, OCD, velkou depresí a případně epilepsií. Neuromodulace je atraktivní pro léčbu různých defektů, protože se zaměřuje pouze na léčbu velmi specifických oblastí mozku, na rozdíl od systémové léčby, která může mít vedlejší účinky na tělo. Neuromodulátorové stimulátory, jako jsou sady mikroelektrod, mohou stimulovat a zaznamenávat mozkové funkce a s dalšími vylepšeními by se měly stát nastavitelnými a citlivými zařízeními pro podávání léků a dalších podnětů.

Obnova nervových tkání

Neuroinženýrství se používá ke studiu funkcí periferního a centrálního nervového systému a k nalezení klinických řešení problémů způsobených poškozením nebo nesprávnou funkcí mozku. Inženýrství aplikované na neuroregeneraci se zaměřuje na technická zařízení a materiály, které podporují růst neuronů pro specifické aplikace, jako je regenerace poranění periferních nervů, regenerace míšní tkáně pro poranění míchy a regenerace tkáně sítnice. Genetické inženýrství a tkáňové inženýrství jsou obory ve vývoji lešení pro opětovný růst míchy.

Výzkum a aplikace

Neuroimaging

Neurozobrazovací techniky se používají ke studiu aktivity neuronových sítí a také struktur a funkcí mozku. Neuroimagingové technologie zahrnují funkční zobrazování magnetickou rezonancí (fMRI), zobrazování magnetickou rezonancí (MRI), pozitronovou emisní tomografii (PET) a počítačovou tomografii (CAT). Funkční neurozobrazovací studie sledují, které části mozku vykonávají specifické úkoly. fMRI měří hemodynamickou aktivitu, která úzce souvisí s neuronální aktivitou. Zkoumá mozek naladěním skeneru na konkrétní vlnovou délku, aby se zjistilo, která část mozku je aktivována různými úkoly. Pro podobné účely se vyvíjejí a používají PET, CT skenery a elektroencefalografie (EEG).

Neuronové sítě

Vědci mohou využít experimentální pozorování neuronových systémů a teoretické a výpočtové modely těchto systémů k vytvoření co nejrealističtějších neuronových sítí . Neuronové sítě lze použít k analýze dat, které pomohou navrhnout další neurotechnologická zařízení. Výzkumníci se zabývají zejména analytickým modelováním nebo modelováním konečných prvků, aby určili ovládání pohybů nervového systému a aplikovali tyto metody na pomoc pacientům s poškozením nebo poruchami mozku. Modely mohou reprezentovat dynamiku koncentrace iontů, kinetiku kanálů, synaptický přenos, výpočet jednoho neuronu, metabolismus kyslíku nebo aplikaci teorie dynamických systémů.

Neurointerfaces

Nervová rozhraní jsou hlavním prvkem při studiu nervových systémů a zlepšení/náhradě nervových funkcí. Inženýři čelí výzvě vyvinout elektrody, které dokážou selektivně zachytit data z přidružených elektronických obvodů za účelem shromažďování informací o aktivitě nervového systému a stimulaci specifických oblastí nervové tkáně, aby se obnovila funkce nebo vjem této tkáně. Materiály použité pro tato zařízení musí odpovídat mechanickým vlastnostem nervové tkáně, ve které jsou umístěny, a musí být posouzeno poškození. Neuronální interakce zahrnuje dočasnou regeneraci skeletů vyrobených z biomateriálů nebo chronických elektrod a měla by regulovat reakci těla na cizí materiály. Mikroelektrodová pole jsou nedávnými pokroky, které lze použít ke studiu neuronových sítí. Optická neurální rozhraní zahrnují optické záznamy a optogenetickou stimulaci, díky níž jsou mozkové buňky citlivé na světlo. Vláknová optika může být implantována do mozku, aby stimulovala a zaznamenávala tuto fotonovou aktivitu namísto elektrod. Dvoufotonová excitační mikroskopie může studovat živé neuronové sítě a komunikační události mezi neurony.

Neuropočítačová rozhraní jsou zaměřena na přímou komunikaci s lidským nervovým systémem pro monitorování a stimulaci nervových okruhů, stejně jako pro diagnostiku a léčbu vnitřní neurologické dysfunkce. Významným pokrokem v této oblasti je hluboká mozková stimulace, která je zvláště účinná při léčbě pohybových poruch, jako je Parkinsonova choroba, s vysokofrekvenční stimulací nervové tkáně k potlačení třesu.