Проектирование нейронных интерфейсов для сенсорного восстановления у ампутированных пациентов

Проектирование нейронных интерфейсов для сенсорного восстановления у ампутированных пациентов

Достижения в технологии нейронного интерфейса меняют ландшафт протезов, переходя от простого моторного контроля к истинному сенсорному восстановлению. Соединяя искусственные конечности непосредственно с нервной системой, исследователи стремятся восстановить естественные ощущения — прикосновение, давление, температуру, даже проприоцепцию — для людей, которые потеряли конечность. В этой статье исследуются принципы, типы, соображения дизайна и будущие направления нейронных интерфейсов для сенсорной обратной связи у ампутированных.

Более 2 миллионов человек в одних только Соединенных Штатах живут с потерей конечностей, и многие полагаются на обычные протезы, которые предлагают ограниченную или не сенсорную обратную связь. Без ощущения пользователи должны полагаться на визуальные сигналы для управления своим протезом, что приводит к высокой когнитивной нагрузке, неуклюжим движениям и более высокому риску падения объектов или повреждения устройства. Восстановление чувства осязания может значительно улучшить ловкость, безопасность и эмоциональную связь пользователя с конечностью.

Критическая роль сенсорной обратной связи в протезировании

Сенсорная обратная связь не роскошь — это фундаментальный компонент естественного моторного контроля. Когда мы берем тонкий объект, такой как яйцо или стакан воды, наш мозг постоянно регулирует силу захвата на основе тактильных сигналов. Без этой обратной связи даже простые задачи становятся трудными. Исследования показали, что ампутированные с сенсорными протезами могут выполнять задачи на 30-50% быстрее и с меньшим количеством ошибок по сравнению с теми, которые используют традиционные миоэлектрические конечности.

Восстановление двух основных сенсорных модальностей является ключевым: экстероцепция (прикосновение, давление, вибрация, температура) и проприоцепция (осознание положения и движения конечностей).В то время как прикосновение часто является фокусом, проприоцептивная обратная связь — знание того, где искусственная конечность находится в пространстве, не глядя — одинаково важна для жидких, скоординированных движений. Исследователи в настоящее время работают над доставкой обоих типов информации через передовые нейронные интерфейсы.

Категории нейронных интерфейсов

Нейронные интерфейсы для сенсорного восстановления делятся на несколько широких категорий, каждая из которых имеет уникальные преимущества и компромиссы.Выбор зависит от уровня ампутации, состояния остаточных нервов и желаемой точности ощущения.

Периферийные нервные интерфейсы

Эти интерфейсы соединяются непосредственно с периферическими нервами, которые остаются в остаточной конечности. Стимулируя нервные волокна, они могут вызывать ощущения, которые ощущаются как будто они происходят от отсутствующей руки или ноги. Общие конструкции включают:

• Длинножильные внутрифасцикулярные электроды (ЖИЗНЬ): Тонкие провода, вставленные вдоль оси нерва, обеспечивая хорошую селективность для отдельных фасциклов.
• Поперечные внутрифазные многоканальные электроды (TIME): Плоские, похожие на весло массивы, которые проникают через нервный фасцикл поперечно, предлагая несколько точек контакта для различных ощущений.
• Электроды наручников: Оберните нерв, не проникая в эпиневрий; менее инвазивные, но с меньшей избирательностью.
• Регенеративные сито-электроды: Помещенные в конце отрезанного нерва; по мере того, как нерв восстанавливается через небольшие отверстия, электроды могут взаимодействовать с новыми аксонами.

Периферические нервные интерфейсы менее инвазивны, чем центральные, и могут производить высоко локализованные ощущения, однако со временем они подвержены дегенерации нерва и могут потребовать периодических хирургических корректировок.

Заметным примером является Utah Slanted Electrode Array, который проникает в нерв со стороны, позволяя стимулировать высокую плотность. Исследование 2020 года, опубликованное в Nature Biomedical Engineering, показало, что этот массив может восстанавливать градуированные сенсорные ощущения у ампутированных людей в течение более двух лет.

Интерфейсы центральной нервной системы

Когда периферические нервы сильно повреждены или отсутствуют, исследователи нацеливаются непосредственно на мозг или спинной мозг. Внутрикорковые микроэлектродные массивы, имплантированные в соматосенсорную кору, могут вызывать сенсорные и проприоцептивные ощущения. Эти интерфейсы полностью обходят периферическую нервную систему и могут обеспечить богатую, естественную обратную связь.

Например, консорциум BrainGate показал, что стимуляция соматосенсорной коры парализованных людей может вызывать ощущения прикосновения в руке. В статье 2021 года в Science сообщалось, что участники могут чувствовать давление и текстуру посредством внутрикорковой микростимуляции. Однако долгосрочная стабильность и риск образования рубцовой ткани остаются значительными препятствиями.

Ограничение — плохое пространственное разрешение и непоследовательное качество ощущений. Поверхностные электроды не могут нацеливаться на отдельные нервные волокна, поэтому вызванное ощущение часто диффузное или покалывание. Тем не менее, современные массивы электродов высокой плотности в сочетании с машинным обучением улучшают распознавание образов и точность обратной связи. Обзор 2022 года в Frontiers in Neuroscience отметил, что стимуляция поверхности замкнутого цикла может уменьшить боль в фантомных конечностях и улучшить производительность задачи.

Основные принципы проектирования нейронных интерфейсов

Проектирование успешного нейронного интерфейса требует балансировки биологической совместимости с инженерной точностью.

Биосовместимость и долгосрочная безопасность

Любой материал, имплантированный в организм, не должен провоцировать хроническую воспалительную реакцию. Золото, платина и оксид иридия являются обычными электродными материалами, потому что они инертны и могут безопасно доставлять заряд. Однако корпус устройства, свинцовые провода и слои инкапсуляции также должны противостоять коррозии и избегать выщелачивания токсичных побочных продуктов. Полимеры памяти формы и Гидрогелевые покрытия исследуются для снижения реакции ткани при сохранении механической гибкости.

Инородная реакция организма остается единственным самым большим препятствием: глиальные рубцы могут инкапсулировать электроды, увеличивая импеданс и снижая качество сигнала в течение нескольких месяцев. Исследователи изучают лекарственные покрытия (например, дексаметазон) и ультрагибкие конструкции «микро-ячеек», которые движутся с тканью, имитируя механические свойства нервной ткани для уменьшения рубцов.

Высокая точность сигнала и избирательность

Для того чтобы вызвать естественное ощущение, интерфейс должен активировать определенные нервные волокна с помощью градуированного, повторяемого способа. Это требует низкого импеданса, высокого отношения сигнал-шум и многих независимых каналов стимуляции. Современные интерфейсы часто имеют 32, 64 или даже 256 каналов, каждый из которых способен доставлять импульсы двухфазного тока с точностью до микросекунды.

Сенсорное кодирование является отдельной проблемой: недостаточно просто стимулировать нерв; шаблон импульсов должен имитировать естественные паттерны обжига. Например, для имитации ощущения легкого касания поверхности быстро адаптирующийся механорецептор будет активировать всплеск импульсов, в то время как медленно адаптирующийся рецептор будет непрерывно активироваться. Алгоритмы биомиметической стимуляции используют записанные нейронные шиповые поезда для воспроизведения этих паттернов, и ранние испытания показывают, что пользователи могут воспринимать нюансированные текстуры таким образом.