Нейропротезування — галузь нейроінженерії, що лежить на стику нейронауки і біомедичної інженерії і займається розробкою протезів, функціонально пов'язаних з нервовою системою.
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 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.
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.
Зараз в нейропротезуванні досить широко використовується кохлеарний імплантат. Станом на грудень 2010 року його отримали близько 219 тисяч людей в всьому світі.
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.
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
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. 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.
Рухові протези для свідомого керування рухом
Сенсорно-рухове протезування
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 .
Див. також
Додаткова література
Книги
- Sanchez Justin C. (2015). Neuroprosthetics: Principles and Applications. Baton Rouge: Chapman and Hall/CRC. ISBN 978-1-4665-5324-8.
- Neural Prostheses for Locomotion. (pdf, epub, відкритий доступ). Frontiers in Neuroscience.
- Neuroprosthetics Editor's Pick 2021. (pdf, epub, відкритий доступ). Frontiers in Neuroscience.
- Closed-loop systems for next-generation neuroprostheses. (pdf, epub, відкритий доступ). Frontiers in Neuroscience.
- Biosignal Processing and Computational Methods to Enhance Sensory Motor Neuroprosthetics. (pdf, epub, відкритий доступ). Frontiers in Neuroscience.
Статті
- Bonizzato Marco (1 січня 2021). Neuroprosthetics: an outlook on active challenges toward clinical adoption. Journal of Neurophysiology (англ.) 125 (1). с. 105–109. doi:10.1152/jn.00496.2020.
- Gutiérrez-Martínez Josefina; Toledo-Peral Cinthya; Mercado-Gutiérrez Jorge; Vera-Hernández Arturo; Leija-Salas Lorenzo (7 жовтня 2020). Neuroprosthesis Devices Based on Micro- and Nanosensors: A Systematic Review. Journal of Sensors (англ.) 2020. doi:10.1155/2020/8865889.
- Kilgore Kevin L.; Anderson Kimberly D.; Peckham P. Hunter (30 липня 2020). Neuroprosthesis for individuals with spinal cord injury. Neurological Research 0 (0). с. 1–13. doi:10.1080/01616412.2020.1798106.
- Eapen Blessen C.; Murphy Douglas P.; Cifu David X. (1 січня 2017). Neuroprosthetics in amputee and brain injury rehabilitation. Experimental Neurology (англ.) 287. с. 479–485. ISSN 0014-4886. doi:10.1016/j.expneurol.2016.08.004.
Журнали
- IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering
- Neurorehabilitation and Neural Repair
- Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation
