Нейроинженерия (англ. neural engineering) — (Hetling, 2008)
Обзор Нейроинженерия опирается на области вычислительной нейробиологии, экспериментальной неврологии, клинической неврологии, электротехники и охватывает элементы робототехники, кибернетики, компьютерной инженерии, материаловедения и нанотехнологий.
В список основных целей в этой области входит восстановление и расширение функций человека посредством прямого взаимодействия между нервной системой и искусственными устройствами.
Многие современные исследования направлены на понимание кодирования и обработки информации в сенсорной и двигательной системах, количественной оценки того как эта обработка изменяется в патологическом состоянии, и как ею можно манипулировать с помощью искусственных устройств, включая интерфейсы мозг-компьютер и нейропротезирование.
Другие исследования больше концентрируются на экспериментах, включая использование нейронных имплантатов связанных с внешними устройствами.
История Поскольку нейроинженерия является относительно новой областью, информация и исследования связанные с ней довольно ограничены. Первые журналы специально посвященные нейроинженерии - The Journal of Neural Engineering и The Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation вышли в 2004 году. Международные конференции по нейроинженерии проводились IEEE с 2003 года, с 29 апреля по 2 мая 2009 года в Анталии, Турция 4-я конференция по нейроинженерии, 5-я Международная конференция IEEE EMBS по нейроинженерии в апреле/мае 2011 года в Канкуне, Мексика, и 6-я конференция в Сан-Диего, Калифорния, в ноябре 2013 года. 7-я конференция состоялась в апреле 2015 года в Монпелье. Восьмая конференция прошла в мае 2017 года в Шанхае.
Основы Фундаментальные основы нейроинженерии включают взаимосвязь нейронов, нейронных сетей и функций нервной системы с поддающимися количественной оценке моделями, помогающими в разработке устройств, которые могли бы интерпретировать и контролировать сигналы и производить целенаправленные ответы.
Нейронауки Сообщения которые тело использует для мыслей, чувств и движений передаются нервными импульсами через ткани мозга и к остальным частям тела. Нейроны являются основной функциональной единицей нервной системы и представляют собой узкоспециализированные клетки, способные передавать эти сигналы. Нейроны обладают особыми электрохимическими свойствами, которые позволяют им обрабатывать информацию и затем передавать эту информацию другим клеткам. Нейронная активность зависит от потенциала нервной мембраны и изменений, которые происходят вдоль и поперек нее. Постоянное напряжение, известное как мембранный потенциал, обычно поддерживается определенными концентрациями специфических ионов через нейронные мембраны. Нарушения или изменения в этом напряжении создают дисбаланс или поляризацию через мембрану. Деполяризация мембраны после перехода порогового потенциала генерирует потенциал действия, который является основным источником передачи сигнала известного как нейротрансмиссия. Потенциал действия приводит к каскаду ионного потока вниз через аксональную мембрану, создавая эффективную цепь скачков напряжения, «электрический сигнал», который может передавать дальнейшие электрические изменения в другие ячейки. Сигналы могут генерироваться электрическими, химическими, магнитными, оптическими и другими формами стимулов, которые влияют на поток зарядов и уровни напряжения на нервных мембранах.
Инженерия Инженеры создают количественные инструменты используемые для и взаимодействия со сложными нейронными системами. Методы изучения и генерации химических, электрических, магнитных и оптических сигналов, ответственных за потенциалы внеклеточного поля и синаптическую передачу в нервной ткани, помогают исследователям в модуляции активности нервной системы. Чтобы понять свойства деятельности нейронной системы, инженеры используют методы обработки сигналов и компьютерное моделирование. Чтобы обработать эти сигналы, инженеры должны преобразовать напряжение нейронной мембраны в соответствующий код-процесс, известный как нейронное кодирование. Нейронное кодирование использует исследования того, как мозг кодирует простые команды в форме генераторов центральных паттернов (CPG), векторов движения, внутренней модели мозжечка и соматических карт для понимания движения и сенсорных явлений. Декодирование этих сигналов в области нейронаук - это процесс, посредством которого нейроны понимают напряжения, которое было передано им. Трансформации включают механизмы, которые сигналы определенной формы интерпретируются, а затем переводятся в другую форму. Инженеры стремятся математически смоделировать эти преобразования. Существует множество способов записи этих сигналов. Они могут быть внутриклеточными или внеклеточными. Внеклеточные методы включают в себя единичные записи, потенциалы внеклеточного поля и амперометрию. В последнее время используются многоэлектродные матрицы для записи и имитации сигналов.
Область применения
Нейромеханика Нейромеханика - это сочетание нейробиологии, биомеханики и робототехники. Исследователи используют передовые методы и модели для изучения механических свойств нервных тканей и их влияния на способность тканей противостоять и генерировать силу и движения, а также их уязвимость для травматической нагрузки. Эта область исследований направлена на трансформацию трансформации информации между нервно-мышечной и скелетной системами для разработки функций и регулирующих правил, касающихся функционирования и организации этих систем. Нейромеханику можно смоделировать, соединив вычислительные модели нейронных цепей с моделями тел животных, расположенных в виртуальных физических мирах. Экспериментальный анализ биомеханики, включая кинематику и динамику движений, процесс и паттерны моторной и сенсорной обратной связи в процессе движения, а также контуры и синаптическую организацию мозга, отвечающего за моторный контроль, в настоящее время исследуются, чтобы понять сложность движения животных. Лаборатория доктора Мишель Лаплака в Технологическом институте Джорджии занимается изучением механического растяжения клеточных культур, сдвиговых деформаций планарных клеточных культур и сдвиговых деформаций трехмерных матриц, содержащих клетки. Понимание этих процессов сопровождается разработкой функциональных моделей, способных характеризовать эти системы в условиях замкнутого контура со специально определенными параметрами. Исследования нейромеханики направлены на улучшение методов лечения физиологических проблем со здоровьем, которые включают оптимизацию конструкции протезов, восстановление движения после травмы, а также разработку и управление мобильными роботами. Изучая структуры в трехмерных гидрогелях, исследователи могут определить новые модели механических свойств нервных клеток. Например, LaPlaca et al. разработали новую модель, показывающую, что штамм может играть роль в культуре клеток.
Нейромодуляция Нейромодуляция направлена на лечение заболеваний или травм с использованием медицинских устройств, которые могли бы усиливать или подавлять деятельность нервной системы с помощью доставки фармацевтических агентов, электрических сигналов или других форм энергетического стимула для восстановления баланса в поврежденных областях мозга. Исследователи в этой области сталкиваются с проблемой объединения достижений в понимании нейронных сигналов с достижениями в технологиях, доставляющих и анализирующих эти сигналы с повышенной чувствительностью, биосовместимостью и жизнеспособностью в схемах с замкнутым циклом в мозге, так что могут быть созданы новые методы лечения и клинические применения для лечения страдающих от повреждения нервной системы различных видов. Нейромодуляторные устройства могут корректировать дисфункцию нервной системы, связанную с болезнью Паркинсона, дистонией, тремором, болезнью Туретта, хронической болью, ОКР, тяжелой депрессией и в конечном итоге, эпилепсией. Нейромодуляция привлекательна для лечения различных дефектов, потому что она сосредоточена на лечении только очень специфических областей мозга, в отличие от системного лечения, которое может иметь побочные эффекты на организм. Стимуляторы нейромодуляторов, такие как наборы микроэлектродов, могут стимулировать и регистрировать функцию мозга и с дальнейшими улучшениями должны стать регулируемыми и чувствительными устройствами доставки лекарств и других стимулов.
Восстановление нервных тканей Нейроинженерию применяют для исследования функций периферийной и центральной нервной системы и для поиска клинических решений проблем, вызванных повреждением или нарушением работы мозга. Инженерия, применяемая для нейрорегенерации, фокусируется на технических устройствах и материалах, которые способствуют росту нейронов для конкретных применений, таких как регенерация повреждения периферического нерва, регенерация ткани спинного мозга для повреждения спинного мозга и регенерация ткани сетчатки. Генная инженерия и тканевая инженерия - это области разработки каркасов для отрастания спинного мозга.
Исследования и применения
Нейровизуализация Методы нейровизуализации используются для исследования активности нейронных сетей, а также структур и функций мозга. Технологии нейровизуализации включают функциональную магнитно-резонансную томографию (фМРТ), магнитно-резонансную томографию (МРТ), позитронно-эмиссионную томографию (ПЭТ) и компьютерную томографию (CAT). Исследования функциональной нейровизуализации изучают какие участки мозга выполняют конкретные задачи. фМРТ измеряет гемодинамическую активность, которая тесно связана с нейронной активностью. Он исследует мозг, настраивая сканер на определенную длину волны, чтобы увидеть, какая часть мозга активируется, выполняя различные задачи. ПЭТ, КТ-сканеры и электроэнцефалография (ЭЭГ) в настоящее время совершенствуются и используются для аналогичных целей.
Нейронные сети Ученые могут использовать экспериментальные наблюдения нейронных систем и теоретические и вычислительные модели этих систем чтобы создать нейронные сети настолько реалистичными, насколько это возможно. Нейронные сети могут быть использованы для анализа данных, чтобы помочь спроектировать дальнейшие нейротехнологические устройства. В частности, исследователи занимаются аналитическим или конечно-элементным моделированием для определения контроля движений нервной системы и применяют эти методы, чтобы помочь пациентам с повреждениями или расстройствами головного мозга. Модели могут представлять динамику концентрации ионов, кинетику канала, синаптическую передачу, вычисление одного нейрона, метаболизм кислорода или применение теории динамических систем.
Нейроинтерфейсы Нейроинтерфейсы являются основным элементом изучения нейронных систем и улучшения/замены нейронных функций. Инженеры сталкиваются с проблемой разработки электродов, которые могут избирательно регистрировать данные из связанных электронных схем для сбора информации об активности нервной системы и стимулирования определенных областей нервной ткани для восстановления функции или ощущения этой ткани. Материалы, используемые для этих устройств должны соответствовать механическим свойствам нервной ткани в которую они помещены, и повреждение должно быть оценено. Нейронное взаимодействие включает временную регенерацию каркасов из биоматериалов или хронических электродов и должно регулировать реакцию организма на инородные материалы. Микроэлектродные матрицы - это недавние достижения, которые можно использовать для изучения нейронных сетей. Оптические нейронные интерфейсы включают оптические записи и оптогенетическую стимуляцию, которая делает клетки мозга светочувствительными. Волоконная оптика может быть имплантирована в мозг для стимуляции и регистрации этой фотонной активности вместо электродов. Микроскопия двухфотонного возбуждения может изучать живые нейронные сети и коммуникативные события между нейронами.
BCI