Interfejs nerwów obwodowych

Interfejs nerwów obwodowych jest pomostem między obwodowym układem nerwowym a interfejsem komputerowym , który służy jako dwukierunkowy przetwornik informacji rejestrujący i przesyłający sygnały między ciałem człowieka a procesorem maszyny . Interfejsy do układu nerwowego zwykle mają postać elektrod do stymulacji i rejestracji, chociaż możliwa jest stymulacja chemiczna i wykrywanie. Badania w tej dziedzinie koncentrują się na opracowaniu interfejsów nerwów obwodowych w celu przywrócenia funkcji po chorobie lub urazie, aby zminimalizować związane z tym straty. Interfejsy nerwów obwodowych umożliwiają również elektryczną stymulację i rejestrację obwodowego układu nerwowego w celu badania formy i funkcji obwodowego układu nerwowego. Na przykład ostatnie badania na zwierzętach wykazały dużą dokładność w śledzeniu znaczących pomiarów fizjologicznych, takich jak kąt stawu. Wielu badaczy koncentruje się również na obszarze tzw neuroproteza , łącząca ludzki układ nerwowy z bioniką w celu naśladowania naturalnej kontroli i funkcji czuciowo-ruchowych. Pomyślna implantacja styków nerwów obwodowych zależy od wielu czynników, w tym odpowiedniego wskazania , badań okołooperacyjnych , zróżnicowanego planowania i treningu funkcjonalnego. Zwykle mikroelektroda urządzenia są wszczepiane w sąsiedztwie, wokół lub w obrębie pnia nerwu w celu nawiązania kontaktu z obwodowym układem nerwowym. W zależności od pożądanego i możliwego do osiągnięcia rodzaju sygnału mogą być stosowane różne podejścia.

Funkcjonować

Głównym celem interfejsu neuronowego jest umożliwienie dwukierunkowej wymiany informacji z układem nerwowym przez dłuższy czas, aby umożliwić skuteczną stymulację i rejestrację o wysokiej gęstości. Obwodowy układ nerwowy (PNS) jest odpowiedzialny za przekazywanie informacji z mózgu i rdzenia kręgowego do kończyn ciała i pleców. Funkcją interfejsu nerwów obwodowych jest wspomaganie układu nerwowego w przypadku upośledzenia funkcji nerwów obwodowych. Aby uzupełnić rolę układu nerwowego, interfejsy muszą wzmacniać funkcje motoryczne, a także rozpoznawać informacje sensoryczne. Wykazano wykonalność stymulacji nerwów obwodowych w celu osiągnięcia pożądanej mocy motorycznej i jest to jedna z głównych sił napędowych tego obszaru badań. Informacje w całym układzie nerwowym są wymieniane głównie przez potencjały czynnościowe . Sygnały te pojawiają się w różnej liczbie iw różnych odstępach czasu, w zależności od neuroanatomicznej i neurochemicznej indywidualnego i zlokalizowanego regionu. Informacje mogą być wprowadzane lub odczytywane poprzez indukowanie lub odzyskiwanie potencjałów czynnościowych z organizmu. Pomyślne opracowanie i wdrożenie interfejsu nerwów obwodowych umożliwiłoby zarówno wprowadzenie informacji do układu nerwowego, jak i ekstrakcję informacji z układu nerwowego.

Problemy i ograniczenia

Problemy i ograniczenia związane z połączeniami nerwów obwodowych mają charakter zarówno biofizyczny, jak i biologiczny. Wyzwania te obejmują:

• Wierność interfejsu pod względem rozdzielczości funkcjonalnej
• Stosunkowo słabe, zakłócone sygnały elektryczne powodujące trudne ograniczenia projektowe interfejsu
• Uszkodzenie włókien nerwowych związane z implantacją interfejsu
• Stabilność interfejsu w czasie z powodu stanu zapalnego
• Radzenie sobie z niezamierzonymi konsekwencjami, takimi jak ból lub fałszywa stymulacja czuciowa/motoryczna spowodowana ruchem fizycznym lub wyzwalaniem aktywności nerwowej związanym z zapaleniem

Aplikacja

Interfejsy nerwów obwodowych są stosowane do modulacji bólu , przywracania funkcji motorycznych po urazie rdzenia kręgowego lub udarze , leczeniu padaczki poprzez elektryczną stymulację nerwu błędnego, stymulacji nerwów w celu kontrolowania mikcji, stymulacji nerwu potylicznego w przewlekłych migrenach oraz do łączenia z neuroprotetykami .

typy

Zbadano, przetestowano i wyprodukowano szeroką gamę konstrukcji elektrod. Elektrody te leżą w spektrum o różnym stopniu inwazyjności. Badania w tej dziedzinie mają na celu rozwiązanie problemów związanych z uszkodzeniem nerwów obwodowych/tkanek, dostępem do sygnałów eferentnych i aferentnych oraz selektywnym rejestrowaniem/stymulacją tkanki nerwowej. Idealnie interfejsy nerwów obwodowych są optymalnie zaprojektowane, aby łączyć się z biologicznymi ograniczeniami włókien nerwów obwodowych , dopasować mechaniczne i elektryczne właściwości otaczającej tkanki, biokompatybilne przy minimalnej odpowiedzi immunologicznej, wysokiej rozdzielczości czujnika , są minimalnie inwazyjne i chronicznie stabilne przy niskim stosunku sygnału do szumu . Najsilniejsze sygnały są rejestrowane z węzłów Ranviera . Interfejsy nerwów obwodowych można podzielić na kategorie pozanerwowe i wewnątrzpęczkowe.

Interfejs elektrody epinerwowej

Elektrody epinerwowe są wytwarzane jako podłużne paski utrzymujące dwa lub więcej miejsc kontaktu w celu połączenia z nerwami obwodowymi. Elektrody te są umieszczane na nerwie i mocowane przez przyszycie do nanerwia. Proces szycia wymaga delikatnej operacji i może zostać oderwany od nerwu, jeśli nadmierny ruch powoduje napięcie. Ponieważ elektroda jest przyszyta do nanerwia, jest mało prawdopodobne, aby uszkodziła pień nerwu.

Interfejs elektrody helikoidalnej

Elektrody helikoidalne są umieszczane w pobliżu nerwu i są wykonane z elastycznej taśmy platynowej w kształcie spirali. Taka konstrukcja umożliwia dostosowanie elektrody do rozmiaru i kształtu nerwu w celu zminimalizowania urazu mechanicznego. Konstrukcja strukturalna powoduje niską selektywność. Elektrody helikoidalne są obecnie używane do stymulacji FES nerwu błędnego w leczeniu padaczki opornej na leczenie , bezdechu sennego oraz w leczeniu zespołów depresyjnych.

Zarezerwuj interfejs elektrody

Elektroda książkowa składa się z bloku gumy silikonowej ze szczelinami. Każde gniazdo zawiera trzy folie platynowe, które działają jako elektrody, elektrody anodowe i jedną katodę. W te szczeliny wprowadza się korzenie rdzeniowe nerwu, a następnie zakrywa się je silikonowym płatkiem i mocuje klejem silikonowym. Elektrodę tę stosuje się głównie do przerywania obwodów odruchowych korzeni grzbietowych kości krzyżowej oraz do kontrolowania funkcji pęcherza moczowego. Elektrody książkowe są nadal uważane za bardzo nieporęczne.