Neurostimulering
| Neurostimulering | |
|---|---|
| OPS-301-kod | 8-631 |
Neurostimulering är den målmedvetna moduleringen av nervsystemets aktivitet med hjälp av invasiva (t.ex. mikroelektroder ) eller icke-invasiva medel (t.ex. transkraniell magnetisk stimulering eller transkraniell elektrisk stimulering , tES, såsom tDCS eller transkraniell växelströmsstimulering , tACS). Neurostimulering hänvisar vanligtvis till de elektromagnetiska metoderna för neuromodulering .
Neurostimuleringsteknologi kan förbättra livskvaliteten för dem som är allvarligt förlamade eller har djupa förluster av olika sinnesorgan, samt för permanent minskning av svår, kronisk smärta som annars skulle kräva konstant (dygnet runt), högdos opioid terapi (som neuropatisk smärta och ryggmärgsskada). Det fungerar som nyckeldelen av neurala proteser för hörapparater , konstgjord syn, konstgjorda lemmar och gränssnitt mellan hjärna och maskin . I fallet med neural stimulering används mestadels en elektrisk stimulering och laddningsbalanserade tvåfasiska konstantströmvågformer eller kapacitivt kopplade laddningsinjektionsmetoder antas. Alternativt transkraniell magnetisk stimulering och transkraniell elektrisk stimulering föreslagits som icke-invasiva metoder där antingen ett magnetfält eller transkraniellt applicerade elektriska strömmar orsakar neurostimulering.
Hjärnstimulering
Hjärnstimulering har potential att behandla vissa sjukdomar som epilepsi . I denna metod tillämpas schemalagd stimulering på specifika kortikala eller subkortikala mål. Det finns tillgängliga kommersiella enheter som kan leverera en elektrisk puls vid schemalagda tidsintervall. Schemalagd stimulering antas förändra de inneboende neurofysiologiska egenskaperna hos epileptiska nätverk. De mest utforskade målen för schemalagd stimulering är den främre kärnan i thalamus och hippocampus . Talamus främre kärna har studerats, vilket har visat en signifikant minskning av anfall med stimulatorn på mot avstängd under flera månader efter stimulatorimplantation. Dessutom klusterhuvudvärken (CH) behandlas genom att använda en temporär stimulerande elektrod vid sphenopalatinganglion (SPG). Smärtlindring rapporteras inom flera minuter efter stimulering i denna metod. För att undvika användning av implanterade elektroder har forskare utvecklat sätt att inskriva ett "fönster" tillverkat av zirkoniumoxid som har modifierats för att vara transparent och implanterat i möss skallar, för att tillåta optiska vågor att penetrera djupare, som i optogenetik, för att stimulera eller hämma individuella neuroner.
Djup hjärnstimulering
Djup hjärnstimulering (DBS) har visat fördelar för rörelsestörningar som Parkinsons sjukdom , tremor och dystoni och affektiva störningar som depression , tvångssyndrom , Tourettes syndrom , kronisk smärta och klusterhuvudvärk. DBS kan direkt ändra hjärnaktiviteten på ett kontrollerat sätt och används därför för att kartlägga grundläggande mekanismer för hjärnans funktioner tillsammans med neuroimaging metoder.
Ett DBS-system består av tre komponenter: den implanterade pulsgeneratorn (IPG), elektroden och en förlängning. Den implanterbara pulsgeneratorn (PG) genererar stimuleringspulser, som skickas till intrakraniella ledningar vid målet via en förlängning. Simuleringspulserna stör neural aktivitet på målplatsen.
Tillämpningen och effekterna av DBS, på både normala och sjuka hjärnor, involverar många parametrar. Dessa inkluderar de fysiologiska egenskaperna hos hjärnvävnaden, som kan förändras med sjukdomstillståndet. Viktiga är också stimuleringsparametrarna, såsom amplitud och tidsegenskaper, och den geometriska konfigurationen av elektroden och vävnaden som omger den.
Trots ett stort antal studier om DBS är dess verkningsmekanism fortfarande inte väl förstått. Att utveckla DBS-mikroelektroder är fortfarande utmanande.
Icke-invasiv för hjärnstimulering
_is_a_technique_for_noninvasive_stimulation_of_the_adult_brain.jpg){kind=spacer}
Transkraniell magnetisk stimulering
Jämfört med elektrisk stimulering som använder kortvariga, högspännings elektriska stötar för att aktivera neuroner, som potentiellt kan aktivera smärtfibrer, utvecklades transkraniell magnetisk stimulering (TMS) av Baker 1985. TMS använder en magnetisk tråd ovanför hårbotten , som bär en skarp och hög strömpuls. Ett tidsvariant magnetfält induceras vinkelrätt mot spolen på grund av den applicerade pulsen som följaktligen genererar ett elektriskt fält baserat på Maxwells lag. Det elektriska fältet ger den nödvändiga strömmen för en icke-invasiv och mycket mindre smärtsam stimulering. Det finns två TMS-enheter som kallas single pulse TMS och repetitive pulse TMS (rTMS) medan den senare har större effekt men potential att orsaka anfall. TMS kan användas för terapi särskilt inom psykiatrin , som ett verktyg för att mäta central motorisk ledning och ett forskningsverktyg för att studera olika aspekter av människans hjärnans fysiologi såsom motorisk funktion, syn och språk. rTMS-metoden har använts för att behandla epilepsi med hastigheter på 8–25 Hz under 10 sekunder. De andra terapeutiska användningarna av rTMS inkluderar Parkinsons sjukdomar, dystoni och humörsjukdomar. TMS kan också användas för att bestämma bidraget från kortikala nätverk till specifika kognitiva funktioner genom att störa aktiviteten i den fokala hjärnregionen. Tidiga, osäkra resultat har erhållits vid återhämtning från koma ( ihållande vegetativt tillstånd) av Pape et al. (2009).
Transkraniell elektrisk stimulering
- Transkraniell likströmsstimulering (tDCS)
- Transkraniell växelströmsstimulering (tACS)
- Transkraniell pulsad strömstimulering (tPCS)
- Transkraniell slumpmässig brusstimulering (tRNS)
Ryggmärgsstimulering
Ryggmärgsstimulering (SCS) är en effektiv terapi för behandling av kronisk och svårbehandlad smärta inklusive diabetisk neuropati , misslyckad ryggkirurgisyndrom , komplext regionalt smärtsyndrom , fantomsmärta i extremiteterna , ischemisk smärta i extremiteterna, refraktärt unilateralt smärtsyndrom i extremiteterna, postherpetisk neuralgi och akut smärta i herpes zoster . Ett annat smärttillstånd som är en potentiell kandidat för SCS-behandling är Charcot-Marie-Tooth (CMT) sjukdom, som är associerad med måttlig till svår kronisk extremitetssmärta. SCS-terapi består av elektrisk stimulering av ryggmärgen för att "maskera" smärta. Gateteorin som föreslogs 1965 av Melzack och Wall gav en teoretisk konstruktion för att försöka SCS som en klinisk behandling för kronisk smärta . Denna teori postulerar att aktivering av myeliniserade primära afferenta fibrer med stor diameter undertrycker responsen från dorsalhornsneuroner på input från små, omyeliniserade primära afferenter. Ett enkelt SCS-system består av tre olika delar. Först implanteras mikroelektroder i epiduralutrymmet för att leverera stimuleringspulser till vävnaden. För det andra är en elektrisk pulsgenerator implanterad i nedre buken eller sätesregionen medan den är ansluten till elektroderna via ledningar, och för det tredje en fjärrkontroll för att justera stimulusparametrarna såsom pulsbredd och pulsfrekvens i PG. Förbättringar har gjorts i både de kliniska aspekterna av SCS såsom övergång från subdural placering av kontakter till epidural placering, vilket minskar risken och sjukligheten av SCS-implantation, och även tekniska aspekter av SCS såsom förbättring av perkutana elektroder och fullt implanterbara multi- kanalstimulatorer. Det finns dock många parametrar som måste optimeras inklusive antal implanterade kontakter, kontaktstorlek och avstånd, och elektriska källor för stimulering. Stimulans pulsbredd och pulsfrekvens är viktiga parametrar som behöver justeras i SCS, som vanligtvis är 400 us respektive 8–200 Hz.
Ryggmärgsstimulering för rörelsestörningar
Ryggmärgsstimulering har visat lovande resultat vid ryggmärgsskada och andra rörelsestörningar, såsom multipel skleros. Stimuleringen, som appliceras över ländryggmärgen, fungerar genom att aktivera afferenta fibrer med stor diameter som kommer in i ryggmärgen, som sedan transsynaptiskt aktiverar och kopplar in spinala neuronala nätverk. Samma målstrukturer kan också aktiveras av transkutana elektroder placerade över den nedre bröstryggen och buken. Transkutan ryggmärgsstimulering är helt icke-invasiv och, eftersom den använder TENS-elektroder och stimulatorer, kan den appliceras till låg kostnad. Ändå, i jämförelse med den implanterade epidurala varianten, beror effekten av transkutan ryggmärgsstimulering på kroppspositionen och ryggradens inriktning, vilket kan leda till inkonsekventa resultat om kroppspositionen och hållningen inte kontrolleras under appliceringen.
Transkutan supraorbital nervstimulering
Preliminära bevis stöder transkutan supraorbital nervstimulering. Biverkningarna är få.
Cochleaimplantat
Cochleaimplantat har gett partiell hörsel till mer än 120 000 personer över hela världen sedan 2008. Den elektriska stimuleringen används i ett cochleaimplantat för att ge funktionell hörsel hos totalt dövade personer. Cochleaimplantat inkluderar flera delsystemkomponenter från den externa talprocessorn och radiofrekvensöverföringslänken (RF) till den interna mottagaren, stimulatorn och elektroduppsättningarna. Modern cochleaimplantatforskning startade på 1960- och 1970-talen. 1961 implanterades en rå enelektrodanordning i två döva patienter och användbar hörsel med elektrisk stimulering rapporterades. Den första FDA-godkända kompletta enkanalsenheten släpptes 1984. I cochleaimplantat tas ljudet upp av en mikrofon och överförs till den externa bakom-örat-processorn för att omvandlas till digital data. Den digitaliserade datan moduleras sedan på en radiofrekvenssignal och sänds till en antenn inuti ett huvudstycke. Data- och kraftbäraren överförs genom ett par kopplade spolar till den hermetiskt tillslutna inre enheten. Genom att extrahera kraften och demodulera data skickas elektriska strömkommandon till snäckan för att stimulera hörselnerven genom mikroelektroder. Det viktiga är att den interna enheten inte har ett batteri och den ska kunna utvinna den energi som krävs. För att minska risken för infektion överförs data trådlöst tillsammans med ström. Induktivt kopplade spolar är bra kandidater för kraft- och datatelemetri, även om radiofrekvensöverföring skulle kunna ge bättre effektivitet och datahastigheter. Parametrar som behövs av den interna enheten inkluderar pulsamplitud, pulslängd, pulsgap, aktiv elektrod och returelektrod som används för att definiera en bifasisk puls och stimuleringsläget. Ett exempel på kommersiella enheter inkluderar Nucleus 22-enhet som använde en bärvågsfrekvens på 2,5 MHz och senare i den nyare versionen kallad Nucleus 24-enhet ökades bärvågsfrekvensen till 5 MHz. Den interna enheten i cochleaimplantaten är ett ASIC -chip ( applikationsspecifikt integrerat krets ) som ansvarar för säker och pålitlig elektrisk stimulering. Inuti ASIC-chippet finns en framåtväg, en bakåtväg och kontrollenheter. Framåtvägen återvinner digital information från RF-signalen som inkluderar stimuleringsparametrar och några handskakningsbitar för att minska kommunikationsfelet. Den bakåtriktade vägen inkluderar vanligtvis en bakåttelemetrispänningsprovtagare som läser av spänningen över en tidsperiod på inspelningselektroden. Stimulatorblocket ansvarar för att leverera förutbestämd ström av extern enhet till mikroelektroderna. Detta block inkluderar en referensström och en digital-till-analog-omvandlare för att transformera digitala kommandon till en analog ström.
Synprotes
Teoretiska och experimentella kliniska bevis tyder på att direkt elektrisk stimulering av näthinnan kan ge en viss syn till försökspersoner som har tappat de fotoreceptiva delarna av näthinnan . Därför utvecklas synproteser för att återställa synen för blinda genom att använda stimuleringen. Beroende på vilken synvägsplats som är inriktad på neural stimulering, har olika tillvägagångssätt övervägts. Synvägen består huvudsakligen av ögat , synnerven , lateral geniculate nucleus (LGN) och visuell cortex . Därför är stimulering av retinal, synnerv och visuell cortex de tre olika metoderna som används i synproteser. Retinal degenerativa sjukdomar, såsom retinitis pigmentosa (RP) och åldersrelaterad makuladegeneration (AMD), är två troliga kandidatsjukdomar där retinal stimulering kan vara till hjälp. Tre metoder som kallas intraokulär epiretinal, subretinal och extraokulär transretinal stimulering eftersträvas i retinala enheter som stimulerar återstående retinala neurala celler att kringgå förlorade fotoreceptorer och låter den visuella signalen nå hjärnan via den normala synvägen. Vid epiretinal tillvägagångssätt placeras elektroder på ovansidan av näthinnan nära ganglionceller , medan elektroderna placeras under näthinnan i subretinala tillvägagångssätt. Slutligen är den bakre sklerala ytan av ögat den plats där extraokulära inflygningselektroder är placerade. Second Sight och Humayun-gruppen vid USC är de mest aktiva grupperna i utformningen av intraokulära retinala proteser. ArgusTM 16 retinalimplantat är en intraokulär retinalprotes som använder videobearbetningsteknik. När det gäller den visuella cortex-stimuleringen var Brindley och Dobelle de första som gjorde experimenten och visade att genom att stimulera översidan av den visuella cortexen kan de flesta elektroderna producera visuell percept. Mer nyligen byggde Sawan ett komplett implantat för intrakortikal stimulering och validerade operationen på råttor.
LGN, som finns i mellanhjärnan för att vidarebefordra signaler från näthinnan till synbarken, är ett annat potentiellt område som kan användas för stimulering. Men detta område har begränsad tillgång på grund av kirurgiska svårigheter. Den senaste framgången med tekniker för djup hjärnstimulering riktad mot mellanhjärnan har uppmuntrat forskning för att fortsätta metoden med LGN-stimulering för en synprotes.
Apparater för elektrostimulering av hjärtat
Implanterbara pacemakers föreslogs för första gången 1959 och har blivit mer sofistikerade sedan dess. Den terapeutiska tillämpningen av pacemakers består av många rytmrubbningar inklusive vissa former av takykardi (för snabba hjärtslag), hjärtsvikt och till och med stroke . Tidiga implanterbara pacemakers fungerade bara en kort tid och behövde periodisk uppladdning av en induktiv länk. Dessa implanterbara pacemakers behövde en pulsgenerator för att stimulera hjärtmusklerna med en viss hastighet förutom elektroder. Idag programmeras moderna pulsgeneratorer icke-invasivt av sofistikerade datoriserade maskiner som använder RF, och erhåller information om patientens och enhetens status genom telemetri. De använder också en enda hermetiskt förseglad litiumjodid (LiI) cell som batteri. Pacemakerkretsen inkluderar avkänningsförstärkare för att upptäcka hjärtats inneboende elektriska signaler, som används för att spåra hjärtaktivitet, frekvensanpassningskretsar, som bestämmer behovet av ökad eller reducerad stimuleringsfrekvens, en mikroprocessor, minne för att lagra parametrarna, telemetrikontroll för kommunikation protokoll och strömförsörjning för att tillhandahålla reglerad spänning.
Teknik för stimulering av mikroelektroder
Mikroelektroder är en av nyckelkomponenterna i neurostimuleringen, som levererar strömmen till neuroner. Typiska mikroelektroder har tre huvudkomponenter: ett substrat (bäraren ) , ett ledande metallskikt och ett isoleringsmaterial. I cochleaimplantat bildas mikroelektroder av platina-iridiumlegering . Toppmoderna elektroder inkluderar djupare insättning för att bättre matcha den tonotopiska platsen för stimulering till frekvensbandet som är tilldelat varje elektrodkanal, vilket förbättrar stimuleringseffektiviteten och minskar insättningsrelaterat trauma. Dessa cochleaimplantatelektroder är antingen raka eller spiralformade som Med-El Combi 40+ respektive Advanced Bionics Helix-mikroelektroder. I visuella implantat finns det två typer av elektroduppsättningar som kallas plan typ eller tredimensionell nål- eller pelartyp, där nåltypsuppsättning som Utah-array mestadels används för kortikala och optiska nervstimuleringar och sällan används i retinala implantat på grund av möjlig skada av näthinnan. Emellertid har en pelarformad guldelektroduppsättning på tunnfilmspolyimid använts i ett extraokulärt implantat. Å andra sidan bildas plana elektroduppsättningar av flexibla polymerer, såsom silikon , polyimid och parylen som kandidater för retinala implantat. När det gäller DBS-mikroelektroder skulle en array, som kan styras oberoende, fördelad över hela målkärnan, möjliggöra exakt kontroll av den rumsliga fördelningen av stimuleringen och därmed möjliggöra bättre personlig DBS. Det finns flera krav för DBS-mikroelektroder som inkluderar lång livslängd utan skada på vävnaden eller nedbrytning av elektroderna, anpassade för olika hjärnplatser, långsiktig biokompatibilitet av materialet, mekaniskt hållbar för att nå målet utan att skadas under hantering av implantatkirurgen, och slutligen enhetlighet i prestanda över mikroelektroderna i en viss array. Volframmikrotrådar , iridiummikrotrådar och förstoftade eller elektroavsatta mikroelektroder av platina-iridiumlegering är exempel på mikroelektroder som används i DBS. Kiselkarbid är ett potentiellt intressant material för att realisera biokompatibla halvledarenheter.
Historia
De primära fynden om neurostimulering härrörde från idén att stimulera nerver i terapeutiska syften. Den första registrerade användningen av elektrisk stimulering för smärtlindring går tillbaka till år 46 e.Kr., då Scribonius Largus använde torpedfisk (elektrisk stråle) för att lindra huvudvärk. I slutet av 1700-talet Luigi Galvani att musklerna i döda grodlår rycktes när de träffades av likström på nervsystemet. Moduleringen av hjärnaktiviteten genom elektrisk stimulering av den motoriska cortex hos hundar visades 1870 som resulterade i lemrörelser. Från slutet av 1700-talet till idag har många milstolpar utvecklats. Nuförtiden finns sensoriska protesanordningar, såsom visuella implantat, cochleaimplantat, hörselimplantat i mitthjärnan och ryggmärgsstimulatorer och även motoriska protesanordningar, såsom djupa hjärnstimulatorer, Bion-mikrostimulatorer, hjärnans kontroll- och avkänningsgränssnitt, och elektrostimuleringsanordningar för hjärtat. används i stor utsträckning.
2013 myntade det brittiska läkemedelsföretaget GlaxoSmithKline (GSK) termen "elektroceutical" för att i stora drag omfatta medicinsk utrustning som använder elektrisk, mekanisk eller ljusstimulering för att påverka elektrisk signalering i relevanta vävnadstyper. Kliniska neurala implantat som cochleaimplantat för att återställa hörseln, retinala implantat för att återställa synen, ryggmärgsstimulatorer för smärtlindring eller pacemakers och implanterbara defibrillatorer är föreslagna exempel på elektroceutika. GSK bildade en riskfond och sa att den skulle vara värd för en konferens 2013 för att lägga upp en forskningsagenda för området. En 2016 översyn av forskning om interaktioner mellan nerv- och immunsystem vid autoimmuna sjukdomar nämnde "elektroceuticals" i förbigående och citattecken, med hänvisning till neurostimuleringsanordningar under utveckling för tillstånd som artrit.
Forskning
Förutom den enorma användningen av neurostimulering för kliniska tillämpningar, används den också i stor utsträckning i laboratorier som startades på 1920-talet av människor som Delgado som använde stimulering som en experimentell manipulation för att studera grunderna om hur hjärnan fungerar. De primära verken var på hjärnans belöningscentrum där stimulering av dessa strukturer ledde till njutning som krävde mer stimulans. Ett annat senaste exempel är den elektriska stimuleringen av MT-området i primära visuella cortex för att påverka uppfattningen. I synnerhet representeras rörelsens riktning på ett regelbundet sätt i MT-området. De presenterade apor med rörliga bilder på skärmen och apans genomströmning var för att avgöra vad riktningen är. De fann att genom att systematiskt introducera några fel i apans svar, genom att stimulera MT-området som är ansvarigt för att uppfatta rörelsen i en annan riktning, svarade apan på någonstans mellan den faktiska rörelsen och den stimulerade. Detta var en elegant användning av stimulering för att visa att MT-området är avgörande för den faktiska uppfattningen av rörelse. Inom minnesfältet används stimulering mycket ofta för att testa styrkan i sambandet mellan ett cellknippe till ett annat genom att applicera en liten ström i en cell vilket resulterar i frisättning av neurotransmittorer och mätning av den postsynaptiska potentialen .
Generellt hjälper en kort men högfrekvent ström i intervallet 100 Hz till att stärka anslutningen som kallas långsiktig potentiering . Men längre men lågfrekvent ström tenderar att försvaga de anslutningar som kallas långtidsdepression .