Neurotrofisk elektrod
Den neurotrofiska elektroden är en intrakortikal anordning utformad för att läsa de elektriska signalerna som hjärnan använder för att bearbeta information. Den består av en liten, ihålig glaskon fäst vid flera elektriskt ledande guldtrådar. Termen neurotrofisk betyder "angående näring och underhåll av nervvävnad" och enheten har fått sitt namn från det faktum att den är belagd med Matrigel och nervtillväxtfaktor för att uppmuntra expansion av neuriter genom spetsen. Den uppfanns av neurologen Dr Philip Kennedy och implanterades framgångsrikt för första gången i en mänsklig patient 1996 av neurokirurgen Roy Bakay.
Bakgrund
Motivation till utveckling
Offer för inlåst syndrom är kognitivt intakta och medvetna om sin omgivning, men kan inte röra sig eller kommunicera på grund av nästan fullständig förlamning av frivilliga muskler. I tidiga försök att återföra en viss grad av kontroll till dessa patienter använde forskare kortikala signaler erhållna med elektroencefalografi (EEG) för att driva en muspekare. Emellertid saknar EEG den hastighet och precision som kan erhållas genom att använda ett direkt kortikalt gränssnitt.
Patienter med andra motoriska sjukdomar, såsom amyotrofisk lateral skleros och cerebral pares , såväl som de som har drabbats av en allvarlig stroke eller ryggmärgsskada, kan också dra nytta av implanterade elektroder. Kortikala signaler kan användas för att kontrollera robotiska lemmar, så eftersom tekniken förbättras och riskerna med ingreppet minskar, kan direkta gränssnitt till och med ge hjälp för amputerade.
Design utveckling
När Dr Kennedy designade elektroden visste han att han behövde en enhet som skulle vara trådlös, biologiskt kompatibel och som skulle kunna implanteras kroniskt. Inledande studier med Rhesusapor och råttor visade att den neurotrofiska elektroden kunde implanteras kroniskt under så länge som 14 månader (försök på människor skulle senare fastställa ännu större robusthet). Denna livslängd var ovärderlig för studierna eftersom medan aporna tränades på en uppgift, började neuroner som från början var tysta avfyras när uppgiften lärdes in, ett fenomen som inte skulle ha varit observerbart om elektroden inte var kapabel till långtidsimplantation.
Komponenter
Kona av glas
Glaskonen är bara 1–2 mm lång och är fylld med trofiska faktorer för att uppmuntra axoner och dendriter att växa genom sin spets och ihåliga kropp. När neuriterna når den bakre änden av konen, förenas de igen med neuropilen på den sidan, som förankrar glaskonen på plats. Som ett resultat kan stabil och robust långtidsinspelning uppnås. Konen sitter med sin spets nära lager fem av cortex, bland corticospinal traktens cellkroppar, och är införd i en vinkel på 45° från ytan, cirka 5 eller 6 mm djup.
Guld trådar
Tre eller fyra guldtrådar är limmade på insidan av glaskonen och sticker ut på baksidan. De registrerar den elektriska aktiviteten hos axonerna som har växt genom konen och är isolerade med teflon . Ledningarna är lindade för att avlasta påfrestningarna eftersom de är inbäddade i cortex i ena änden och fästa vid förstärkarna, som är fästa på insidan av skallen, på den andra. Två kablar är anslutna till varje förstärkare för att ge differentiell signalering .
Trådlös sändare
En av de största styrkorna med den neurotrofiska elektroden är dess trådlösa förmåga, för utan transdermal ledning minskar risken för infektion avsevärt. När neurala signaler samlas in av elektroderna, färdas de uppför guldtrådarna och genom kraniet, där de förs vidare till bioförstärkarna ( vanligtvis implementerade av differentialförstärkare ). De förstärkta signalerna skickas via en switch till en sändare , där de omvandlas till FM-signaler och sänds med en antenn. Förstärkarna och sändarna drivs av en 1 MHz induktionssignal som likriktas och filtreras. Antennen, förstärkarna, analoga switcharna och FM-sändarna finns alla i ett standard utanpåliggande kretskort som sitter precis under hårbotten. Hela ensemblen är belagd med skyddande geler, Parylene , Elvax och Silastic , för att göra den biokompatibel och för att skydda elektroniken från vätskor.
Datainsamlingssystem
På utsidan av patientens hårbotten vilar motsvarande induktionsspole och en antenn som skickar FM-signalen till mottagaren . Dessa enheter hålls tillfälligt på plats med en vattenlöslig pasta. Mottagaren demodulerar signalen och skickar den till datorn för spiksortering och dataregistrering.
hopsättning
Det mesta av den neurotrofiska elektroden tillverkas för hand. Guldtrådarna kapas till rätt längd, lindas upp och böjs sedan till en vinkel på 45° strax ovanför kontaktpunkten med konen för att begränsa implantationsdjupet. Ytterligare en böj i motsatt riktning läggs till där trådarna passerar genom skallen. Spetsarna tas av sin teflonbeläggning, och de längst bort från konen löds och förseglas sedan med dental akryl till en komponentkontakt. Glaskonen görs genom att värma och dra en glasstav till en spets och sedan skära spetsen i önskad längd. Den andra änden är inte ett rakt snitt, utan är snarare huggen i en vinkel för att ge en hylla som guldtrådarna kan fästas på. Trådarna läggs sedan på hyllan och ett metylmetakrylat- gellim appliceras i flera lager, med försiktighet för att undvika att täcka de ledande spetsarna. Slutligen steriliseras enheten med glutaraldehydgas vid låg temperatur och luftas.
Genomförande
Dator markörkontroll
En av Dr Kennedys patienter, Johnny Ray, kunde lära sig att styra en datormarkör med den neurotrofiska elektroden. Tre distinkta neurala signaler från enheten korrelerades med markörrörelse längs x-axeln, längs y-axeln respektive en "välj" funktion. Rörelse i en given riktning utlöstes av en ökning av neuronavfyrningshastigheten på den associerade kanalen.
Talsyntes
Neurala signaler som framkallats från en annan av Dr Kennedys patienter har använts för att formulera vokaljud med hjälp av en talsyntes i realtid. Elektronikinställningen var väldigt lik den som användes för markören, med tillägget av en post-receiver neural dekoder och själva synthesizern. Forskare implanterade elektroden i området av den motoriska cortex som är förknippad med rörelsen av talartikulatorer eftersom en fMRI- skanning före operation indikerade hög aktivitet där under en bildnamnsuppgift. Den genomsnittliga fördröjningen från neural avfyrning till synthesizerutgång var 50 ms, vilket är ungefär samma som fördröjningen för en intakt biologisk väg.
Jämförelse med andra inspelningsmetoder
Den neurotrofiska elektroden, som beskrivits ovan, är en trådlös enhet och sänder sina signaler transkutant. Dessutom har den visat en livslängd på över fyra år hos en mänsklig patient, eftersom varje komponent är helt biokompatibel . Nya data från en inlåst person implanterad i 13 år visar tydligt inga ärrbildningar och många myeliniserade neurafilament (axoner) [ 12] Så livslängdsfrågan har besvarats för den neurotrofiska elektroden. Som jämförelse förlorar elektroderna av trådtyp (Utah-matrisen) signal över månader och år: Utah-matrisen förlorar 85% av sina signaler under 3 år [ 13] , så den kan inte övervägas för långvarig mänsklig användning. ECOG-systemet tappar signaler på mindre än 2 år [14] . Många nya elektrodtyper, som de som utvecklas av Neuralink, lider fortfarande av liknande problem. Data från metallelektroder är dock mycket användbara på kort sikt och har producerat stora mängder mycket användbar data i hjärnan till datorforskningsutrymme.
Den neurotrofiska elektroden var dock begränsad i mängden information den kunde ge, eftersom elektroniken den använde för att överföra sin signal krävde så mycket utrymme i hårbotten att bara fyra fick plats på en mänsklig skalle. Detta blir ett mindre problem med tiden eftersom förstärkartekniken förbättras. Dessutom har små elektrodnummer visat sig fortfarande vara användbara. Det finns cirka 20 enstaka enheter per elektrod, och de senaste resultaten visar att en elektrod med 23 enstaka enheter kan avkoda hörbart och tyst tal, särskilt telefoner, ord och fraser [15 ] .
Alternativt är Utah-matrisen för närvarande en trådbunden enhet, men sänder mer information. Den har implanterats i en människa i över två år och består av 100 ledande nålliknande silikonelektroder, så den har hög upplösning och kan spela in från många individuella neuroner. Den neurotrofiska elektroden har hög upplösning också vilket framgår av vikten av långsamma avfyrande enheter som i allmänhet avfärdas av andra grupper [ 16] .
I ett experiment anpassade Dr Kennedy den neurotrofiska elektroden för att läsa lokala fältpotentialer ( LFP). Han visade att de är kapabla att kontrollera tekniska hjälpmedel, vilket tyder på att mindre invasiva tekniker kan användas för att återställa funktionalitet till inlåsta patienter. Studien tog dock inte upp graden av kontroll som är möjlig med LFP:er eller gjorde en formell jämförelse mellan LFP:er och enstaka enhetsaktivitet. Det var den första studien som visade att LFP:er kunde användas för att styra en enhet.
Elektroencefalografi (EEG) involverar placeringen av många ytelektroder på patientens hårbotten, i ett försök att registrera den summerade aktiviteten hos tiotusentals till miljoner neuroner. EEG har potential för långvarig användning som ett hjärn-dator-gränssnitt , eftersom elektroderna kan hållas på hårbotten på obestämd tid. De temporala och spatiala upplösningarna och signal-brusförhållandet för EEG har alltid släpat efter de för jämförbara intrakortikala enheter, men det har fördelen att det inte kräver kirurgi.
Elektrokortikografi (ECoG) registrerar den kumulativa aktiviteten hos hundratals till tusentals neuroner med ett ark av elektroder placerade direkt på hjärnans yta. Förutom att kräva kirurgi och ha låg upplösning är ECoG-enheten trådbunden, vilket innebär att hårbotten inte kan stängas helt, vilket ökar risken för infektion. Forskare som undersöker ECoG hävdar dock att nätet "har egenskaper som är lämpliga för långsiktig implantation". Deras publicerade data indikerar förlust av signal inom två år [14] .
Nackdelar
Aktiveringsfördröjning
Den neurotrofiska elektroden är inte aktiv direkt efter implantationen eftersom axonerna måste växa in i könen innan enheten kan ta upp elektriska signaler. Studier har visat att vävnadstillväxten i stort sett är klar redan en månad efter ingreppet, men att det tar så många som fyra månader att stabilisera sig. Fyra månaders försening är inte en nackdel när man tar hänsyn till livslängden för den inlåsta personen som räknar med att flytta eller tala igen.
Operationsrisker
Riskerna med implantationen är de som vanligtvis är förknippade med hjärnkirurgi, nämligen risken för blödning, infektion, kramper, stroke och hjärnskador. Tills tekniken utvecklas till den grad att dessa risker minskar avsevärt, kommer proceduren att vara reserverad för extrema eller experimentella fall. Endast en av Neural Signals sex patienter, Dr Kennedy själv, hade några komplikationer. Han upplevde en kortlivad episod av fokala motoriska anfall och svullnad i hjärnan som ledde till tillfällig svaghet på den kontralaterala sidan av kroppen.
Enhetsfel
När Johnny Ray implanterades 1998 började en av de neurotrofiska elektroderna ge en intermittent signal efter att den hade blivit förankrad i neuropilen, och som ett resultat tvingades Dr Kennedy att förlita sig på de återstående enheterna. Detta berodde på ett problem med elektroniken, INTE elektroden. Därför, även om det inte finns någon komplikation från operationen, finns det fortfarande en möjlighet att elektroniken kommer att misslyckas. Det är lätt att byta ut elektroniken. Dessutom, medan själva implantaten är inneslutna i skallen och därför är relativt säkra från fysisk skada, är elektroniken på utsidan av skallen under hårbotten sårbar. Två av Dr Kennedys patienter orsakade av misstag skada under spasmer, men i båda fallen behövde bara de externa enheterna bytas ut.
Framtida applikationer
Neuroprotetik
Från och med november 2010 arbetar Dr. Kennedy med tillämpningen av talsyntesen av elektroden, men har planer på att utöka dess användningsområden till många olika områden, varav ett är att återställa rörelse med neuroproteser .
Tyst tal
Tyst tal är "talbearbetning i frånvaro av en begriplig akustisk signal" som främst ska användas som ett hjälpmedel för den inlåsta personen. Tyst tal har framgångsrikt avkodats [12] . Ett sekundärt syfte är att använda hörbart eller tyst tal som en "mobiltelefon under hårbotten med elektroderna in i den talmotoriska cortex", dvs som en konsumentvara. Enligt Phil Kennedy,
Läsaren kan rygga tillbaka vid en sådan idé. Men låt mig förklara. Tänk på alla fördelar med att ha en ständigt tillgänglig privat mobiltelefon i kroppen. För att veta: "Jag måste kontakta så och så, jag måste ställa en fråga till Siri, jag måste komma åt molnet och ta emot information, jag måste utföra en beräkning med tillgång till molnet, jag måste använda internet, jag behöver veta vad mina aktier gör, jag behöver veta var mina barn är, jag har fallit och behöver kontakta EMS, och så vidare. Jag kan smsa dem eller så kan jag ringa dem bara med en tanke, jag behöver inte hitta min telefon och trycka på den." Mobiltelefonen under hårbotten kommer att kringgå det steget. Det kommer att ge kontinuerlig kommunikation efter behag och kan stängas av efter önskemål. Dessutom är det värt att komma ihåg att historien visar att människor inte kommer att undvika enheter som är omärkliga för dem, det vill säga implanterade under huden eller hårbotten. Tänk på hur pacemakers först avvisades eftersom de var skrymmande och måste bäras utanför kroppen. Nu är de helt implanterade och rutinmässigt ordinerade till patienter. Enligt mitt sätt att tänka är denna obekväma utveckling också oundviklig.
Så min förutsägelse är att från att hjälpa människor i nöd fortsätter vi att hjälpa människor med en konsumentprodukt. Analogt, om de behövande är svansen på hunden (hela hunden är hela mänskligheten) så kommer svansen att vifta med hunden istället för att hunden viftar med svansen!