Proteza hipokampa
Proteza hipokampa jest rodzajem protezy poznawczej (protezy wszczepianej do układu nerwowego w celu poprawy lub zastąpienia funkcji uszkodzonej tkanki mózgowej). Urządzenia protetyczne zastępują normalną funkcję uszkodzonej części ciała; może to być po prostu wymiana strukturalna (np. chirurgia rekonstrukcyjna lub szklane oko) lub elementarna wymiana funkcjonalna (np. kołek lub haczyk).
Protetyka obejmująca mózg ma jednak pewne szczególne kategorie i wymagania. Protezy „wejściowe”, takie jak siatkówka lub implant ślimakowy , dostarczają do mózgu sygnały, które pacjent ostatecznie uczy się interpretować jako obraz lub dźwięk. Protezy „wyjściowe” wykorzystują sygnały mózgowe do napędzania bioniki ramienia, ręki lub urządzenia komputerowego i wymagają znacznego treningu, podczas którego pacjent uczy się generować pożądane działanie za pomocą swoich myśli. Oba te typy protez opierają się na plastyczności mózgu, aby dostosować się do wymagań protezy, umożliwiając w ten sposób użytkownikowi „nauczenie się” korzystania z jego nowej części ciała.
Proteza poznawcza lub „mózg-mózg” nie obejmuje wyuczonych sygnałów wejściowych ani wyjściowych, ale natywne sygnały używane normalnie przez obszar mózgu, który ma zostać zastąpiony (lub podtrzymany). Zatem takie urządzenie musi być w stanie w pełni zastąpić funkcję małego odcinka układu nerwowego przy użyciu normalnego trybu działania tego odcinka. Aby to osiągnąć, programiści wymagają głębokiego zrozumienia funkcjonowania układu nerwowego. Zakres projektu musi obejmować niezawodny model matematyczny oraz technologię, aby prawidłowo wykonać i zainstalować protezę poznawczą. Podstawowy cel sztucznego hipokampu jest zapewnienie lekarstwa na chorobę Alzheimera i inne problemy związane z hipokampem. W tym celu proteza musi być w stanie odbierać informacje bezpośrednio z mózgu, analizować je i przekazywać odpowiednie dane wyjściowe do kory mózgowej; innymi słowy, musi zachowywać się jak naturalny hipokamp. Jednocześnie sztuczny narząd musi być całkowicie autonomiczny, ponieważ każde zewnętrzne źródło zasilania znacznie zwiększa ryzyko infekcji.
hipokamp
Rola
Hipokamp jest częścią ludzkiego układu limbicznego , który współdziała z korą nową i innymi częściami mózgu, wywołując emocje . Jako część układu limbicznego hipokamp odgrywa swoją rolę w tworzeniu emocji, oprócz innych swoich funkcji, takich jak utrwalanie nowych wspomnień, nawigacja i orientacja przestrzenna. Hipokamp jest odpowiedzialny za tworzenie długotrwałych wspomnień rozpoznawczych. Innymi słowy, jest to część mózgu, która pozwala nam kojarzyć twarz z imieniem. Ze względu na ścisły związek z tworzeniem pamięci, uszkodzenie hipokampa jest ściśle związane z choroba Alzheimera .
Anatomia
Hipokamp jest obustronną strukturą, znajdującą się pod korą nową . Każdy hipokamp „składa się z kilku różnych podsystemów, które tworzą zamkniętą pętlę sprzężenia zwrotnego, z wejściem kory nowej przez korę śródwęchową, propagacją przez wewnętrzne podregiony hipokampa i powrotem do kory nowej”. W sensie elektronicznym hipokamp składa się z kawałka równoległych obwodów.
Podstawowe wymagania
Biokompatybilność
wymagana jest długotrwała biozgodność . Musimy również wziąć pod uwagę tendencję do podtrzymywania komórek mózgowych, takich jak astrocyty, do otaczania implantu. (Jest to naturalna reakcja komórek mózgowych, mająca na celu ochronę neuronów ), upośledzając w ten sposób jego funkcję.
Biomimetyczny
Bycie biomimetycznym oznacza, że implant musi spełniać właściwości prawdziwego biologicznego neuronu . Aby to zrobić, musimy dogłębnie zrozumieć zachowanie mózgu, aby zbudować solidny model matematyczny, na którym można się oprzeć. Dziedzina neuronauki obliczeniowej poczyniła postępy w tym przedsięwzięciu.
Po pierwsze, musimy wziąć pod uwagę, że podobnie jak większość procesów biologicznych, zachowania neuronów są wysoce nieliniowe i zależą od wielu czynników: wzorców częstotliwości wejściowych itp. Dobry model musi również uwzględniać fakt, że ekspresja pojedyncza komórka nerwowa jest pomijalna, ponieważ procesy są przeprowadzane przez grupy neuronów oddziałujących w sieci. Po zainstalowaniu urządzenie musi przejąć wszystkie (lub przynajmniej większość) funkcji uszkodzonego hipokampu przez dłuższy czas. Po pierwsze, sztuczne neurony muszą być w stanie współpracować w sieci jak prawdziwe neurony. Muszą wtedy być zdolne, działające i skuteczne połączenia synaptyczne z istniejącymi neuronami mózgu; dlatego wymagany będzie model interfejsu krzem/neurony.
Rozmiar
Implant musi być wystarczająco mały, aby można go było wszczepić, jednocześnie minimalizując uszkodzenia uboczne podczas i po implantacji.
Komunikacja dwukierunkowa
Aby w pełni przejąć funkcję uszkodzonego hipokampa, proteza musi być w stanie komunikować się z istniejącą tkanką w sposób dwukierunkowy. innymi słowy, implant musi być w stanie odbierać informacje z mózgu i dawać odpowiednie i ściśliwe sprzężenie zwrotne do otaczających komórek nerwowych.
Spersonalizowane
Strukturalna i funkcjonalna charakterystyka mózgu różni się znacznie u poszczególnych osób; dlatego każdy implant neuronowy musi być specyficzny dla każdej osoby, co wymaga precyzyjnego modelu hipokampu i wykorzystania zaawansowanych obrazów mózgu do określenia indywidualnej wariancji.
Wymagania chirurgiczne
Ponieważ proteza zostanie zainstalowana w mózgu, sama operacja będzie przypominała operację usunięcia guza. Chociaż szkody uboczne będą nieuniknione, wpływ na pacjenta będzie minimalny.
Model
„Aby włączyć nieliniową dynamikę neuronów biologicznych do modeli neuronów w celu opracowania protezy, należy najpierw dokładnie je zmierzyć. Opracowaliśmy i zastosowaliśmy metody ilościowego określania nieliniowej dynamiki neuronów hipokampa (Berger i in., 1988a, b, 1991, 1992, 1994; Dalal i in., 1997) z wykorzystaniem zasad teorii systemów nieliniowych (Lee i Schetzen, 1965; Krausz, 1975; PZ Marmarelis i Marmarelis, 1978; Rugh, 1981; Sclabassi i in., 1988) W tym podejściu właściwości neuronów są oceniane eksperymentalnie, stosując losowy ciąg impulsów elektrycznych jako dane wejściowe i elektrofizjologicznie rejestrując wywołane wyjście neuronu docelowego podczas stymulacji (rysunek 12.2A). Ciąg wejściowy składa się z serii impulsów (aż 4064), z odstępami między impulsami zmieniającymi się w zależności od procesu Poissona, mającymi średnią 500 ms i zakres 0,2–5000 ms. Zatem wejście jest „szerokopasmowe” i stymuluje neuron w większości jego zakresu działania; to znaczy właściwości statystyczne losowego ciągu są wysoce zgodne ze znanymi właściwościami fizjologicznymi neuronów hipokampa. Nieliniowe właściwości odpowiedzi są wyrażane w kategoriach relacji między właściwościami czasowymi progresywnie wyższego rzędu sekwencji zdarzeń wejściowych a prawdopodobieństwem wyjścia neuronów i są modelowane jako jądra funkcjonalnego szeregu mocy.
Zaangażowana technologia
Obrazowanie
Technologie takie jak EEG , MEG , fMRI i inne rodzaje technologii obrazowania są niezbędne do instalacji implantu, co wymaga dużej precyzji w celu zminimalizowania uszkodzeń ubocznych (ponieważ hipokamp znajduje się wewnątrz kory mózgowej), a także właściwego funkcję urządzenia.
Interfejs krzem/neuron
Interfejs krzem/neuron będzie potrzebny do właściwej interakcji krzemowych neuronów protezy i biologicznych neuronów mózgu.
Procesor sieciowy Neuron
W mózgu zadania są wykonywane przez grupy wzajemnie połączonych sieci neuronowych, a nie przez pojedynczą komórkę, co oznacza, że każda proteza musi być w stanie symulować zachowanie tej sieci. Aby to zrobić, będziemy potrzebować dużej liczby i gęstości neuronów krzemowych do wytworzenia skutecznej protezy; w związku z tym procesor sieci neuronów hipokampa o dużej gęstości będzie potrzebne, aby proteza spełniała zadanie biologicznego hipokampu. Ponadto interfejs neuron/silikon będzie niezbędny do dwukierunkowej komunikacji wszczepionej protezy. Wybór materiału i projekt muszą zapewniać długoterminową żywotność i biokompatybilność przy jednoczesnym zapewnieniu gęstości i specyfiki wzajemnych połączeń.
Zasilacz
Odpowiednie zasilanie jest nadal głównym problemem dla każdego implantu neuronowego. Ponieważ protezy są wszczepiane do mózgu, pomijając długoterminową biokompatybilność, zasilanie będzie wymagało kilku specyfikacji. Po pierwsze, zasilacz musi być samoładujący. W przeciwieństwie do innych protez, infekcja jest znacznie większym problemem w przypadku implantu nerwowego ze względu na wrażliwość mózgu; dlatego nie można sobie wyobrazić zewnętrznego źródła zasilania. Ponieważ mózg jest również bardzo wrażliwy na ciepło, moc i samo urządzenie nie mogą generować zbyt dużej ilości ciepła, aby uniknąć zakłócenia funkcji mózgu.
Protetyczne chipy krzemowe z pamięcią neuronalną
Protetyczny krzemowy chip pamięci neuronowej to urządzenie imitujące mózgowy proces tworzenia długotrwałych wspomnień. Prototyp tego urządzenia został zaprojektowany przez Theodore'a Bergera, inżyniera biomedycznego i neurologa z University of Southern California . Berger zaczął pracować nad projektem na początku lat 90. Współpracował z kolegami naukowymi, którzy byli w stanie wszczepić elektrody szczurom i małpom w celu przetestowania przywracania funkcji pamięci. Ostatnie prace pokazują, że system może tworzyć długotrwałe wspomnienia w wielu różnych sytuacjach behawioralnych. Berger i współpracownicy mają nadzieję, że ostatecznie wykorzystają te chipy jako elektroniczne implanty dla ludzi, których mózgi cierpią na choroby takie jak choroba Alzheimera, które zakłócają sieci neuronowe.
Zastosowanie technologiczne i medyczne
Aby rozpocząć tworzenie protezy mózgu, Berger i jego współpracownik Vasilis Marmarelis, inżynier biomedyczny z USC, pracowali z kawałkami hipokampa szczurów . Ponieważ wiedzieli, że sygnały neuronalne przemieszczają się z jednej strony hipokampu na drugą, badacze wysłali losowe impulsy do hipokampa, zarejestrowali sygnały w określonych lokalizacjach, aby zobaczyć, jak zostały zmienione, a następnie wyprowadzili równania reprezentujące zmiany. Następnie zaprogramowali te równania w chipach komputerowych.
Następnie musieli ustalić, czy chip może być użyty jako proteza lub implant dla uszkodzonego obszaru w hipokampie. Aby to zrobić, musieli dowiedzieć się, czy mogą uniknąć centralnego składnika ścieżki w wycinkach mózgu. Umieścili elektrody w regionie, który przenosił impulsy elektryczne do zewnętrznego chipa. Następnie chip wykonał transformacje, które normalnie są przeprowadzane w hipokampie, a inne elektrody wysyłały sygnały z powrotem do wycinka mózgu.
Kody pamięci
W 1996 roku dr Sam A. Deadwyler z Wake Forest Baptist Medical Center w Winston-Salem w Karolinie Północnej badał wzorce aktywności grup neuronów hipokampa, podczas gdy szczury wykonywały zadania wymagające pamięci krótkotrwałej. Te „zespoły” lub zbiory neuronów wyzwalały się w różnych wzorach zarówno w czasie, jak iw „przestrzeni” (w tym przypadku przestrzeń odnosiła się do różnych neuronów rozmieszczonych w hipokampie) w zależności od rodzaju zachowania wymaganego w zadaniu. Co ważniejsze, Deadwyler i jego współpracownicy byli w stanie zidentyfikować wzorce, które wyraźnie rozróżniały różne bodźce w zadaniu, w tym pozycję (podobnie jak komórki umieszczające), reakcje behawioralne i jaka część zadania miała miejsce. Analizy oparte na samej aktywności zespołu neuronów bez patrzenia na te zmienne mogą zidentyfikować, a nawet „przewidywać” niektóre z tych zmiennych, nawet zanim one wystąpią. W rzeczywistości wzorce identyfikowałyby nawet, kiedy szczur miał popełnić błąd w zadaniu. W ciągu następnych dziesięciu lat laboratorium Deadwylera udoskonaliło analizę, aby zidentyfikować „kody” i poprawić zdolność przewidywania poprawnych i błędnych odpowiedzi, nawet do tego stopnia, że niewyszkolone szczury mogły wykonać zadanie pamięciowe za pomocą stymulacji hipokampa kodami uzyskanymi z w pełni wyszkolone szczury. Odkrycie kodów pamięci w hipokampie skłoniło Deadwylera do połączenia wysiłków z Bergerem w celu przeprowadzenia przyszłych badań, w których zespół Bergera opracuje modele funkcji pamięci w hipokampie, a zespół Deadwylera przetestuje modele na szczurach i małpach i ostatecznie przejdzie do badań na ludziach.
Próby na szczurach i małpach
Aby przejść do obudzonych, zachowujących się zwierząt, Berger współpracował z Deadwylerem i dr Robertem E. Hampsonem z Wake Forest, aby przetestować prototyp protezy pamięci połączonej z mózgami szczurów i małp za pomocą elektrod w celu analizy informacji, tak jak rzeczywisty hipokamp. Model protetyczny pozwolił nawet uszkodzonemu hipokampowi wygenerować nowe wspomnienia. W jednej z demonstracji Deadwyler i Hampson osłabili zdolność szczurów do tworzenia pamięci długoterminowej za pomocą środków farmakologicznych . Zakłóciły one obwody nerwowe, które przekazują wiadomości między dwoma podregionami hipokampu. Te podregiony, CA1 i CA3, oddziałują na siebie, tworząc pamięć długoterminową. Szczury nie były w stanie zapamiętać, którą dźwignię musiały pociągnąć, aby otrzymać nagrodę. Następnie naukowcy opracowali sztuczny hipokamp, który mógłby powielić wzór interakcji między interakcjami CA3-CA1, analizując impulsy nerwowe w komórkach za pomocą układu elektrod , a następnie odtwarzanie tego samego wzoru na tej samej tablicy. Po stymulacji hipokampu szczura za pomocą matematycznego modelu protezy, ich zdolność do identyfikacji właściwej dźwigni do pociągnięcia znacznie się poprawiła. Ten sztuczny hipokamp odegrał znaczącą rolę na etapie rozwoju protezy pamięci, ponieważ wykazał, że gdyby urządzenie protetyczne i związane z nim elektrody zostały wszczepione zwierzętom z nieprawidłowo funkcjonującym hipokampem, urządzenie mogłoby potencjalnie przywrócić zdolność pamięci do jak u zwykłych szczurów.
Cele na przyszłość
Zespoły badawcze z USC i Wake Forest pracują nad tym, aby możliwe było zastosowanie tego systemu u ludzi, których mózgi cierpią z powodu choroby Alzheimera , udaru mózgu lub urazu. Zakłócenie sieci neuronowych często powstrzymuje tworzenie się długotrwałych wspomnień. System zaprojektowany przez Bergera i wdrożony przez Deadwylera i Hampsona pozwala na przetwarzanie sygnału, które zachodziłoby naturalnie w nieuszkodzonych neuronach. Ostatecznie mają nadzieję przywrócić zdolność do tworzenia długotrwałych wspomnień poprzez wszczepienie takich chipów do mózgu.
Niedawny rozwój
Theodore Berger i jego współpracownicy z University of Southern California w Los Angeles opracowali działającą protezę hipokampa, która w 2004 roku przeszła test żywej tkanki na skrawkach tkanki mózgowej. W 2011 roku we współpracy z dr. Sam A. Deadwyler i Robert E. Hampson z Wake Forest Baptist Medical Center z powodzeniem przetestowali protezę hipokampu na obudzonych, zachowujących się szczurach. Proteza miała postać wielomiejscowych elektrod ustawionych tak, aby rejestrowały zarówno „stronę” wejściową, jak i wyjściową uszkodzonego hipokampa, dane wejściowe są gromadzone i analizowane przez zewnętrzne chipy obliczeniowe, obliczane jest odpowiednie sprzężenie zwrotne, a następnie wykorzystywane do stymulacji odpowiedniego wyjścia wzór w mózgu, aby proteza funkcjonowała jak prawdziwy hipokamp. W 2012 roku zespół przetestował kolejną implementację w korze przedczołowej makaków, dalej rozwijając technologię protez neuronowych. W 2013 roku Hampson i in. pomyślnie przetestowali protezę hipokampa na naczelnych innych niż ludzie. Chociaż urządzenie nie składa się jeszcze z w pełni wszczepialnego „chipu”, testy przeprowadzone na szczurach i małpach wykazują skuteczność urządzenia jako protezy nerwowej i potwierdzają jego zastosowanie w badaniach na ludziach.
Dowód słuszności koncepcji ludzkiej protezy hipokampa
W 2018 roku zespół kierowany przez Roberta E. Hampsona z Wake Forest Baptist Medical, w skład którego wchodzili Berger i Deadwyler, jako pierwszy wykazał skuteczność modelu protetycznego u ludzi. Badanym wszczepiono elektrody do mózgu w Wake Forest w ramach medycznej procedury diagnostycznej padaczki. Podczas pobytu w szpitalu pacjenci z elektrodami w hipokampie zgłosili się na ochotnika do wykonania zadania pamięciowego na komputerze, podczas gdy rejestrowano aktywność neuronów hipokampa, aby Berger i jego zespół z zespołu USC mogli dostosować model protezy hipokampa dla tego pacjenta. Mając model w ręku, zespół Wake Forest był w stanie wykazać do 37% poprawę funkcji pamięci u pacjentów z zaburzeniami pamięci spowodowanymi chorobą. Poprawę wykazano dla wspomnień do 75 minut po stymulacji przez hipokampowy model protetyczny. Od 2018 roku planowane są badania mające na celu przetestowanie kodów pamięci pod kątem dodatkowych atrybutów i cech przedmiotów do zapamiętania oraz czasu trwania ułatwienia pamięci powyżej 24 godzin.