Имплантат хронического электрода - Chronic electrode implant

Хронический электрод имплантат представляет собой электронное устройство имплантируется хронически ( в течение длительного периода) в мозг или другую электрический возбудимую ткань. Он может записывать электрические импульсы в мозг или стимулировать нейроны электрическими импульсами от внешнего источника.

Клинические приложения и направление

Пример хронического имплантата электрода

Схема хронической электродной решетки "Юта"

Клинические приложения для интерфейсов мозг-компьютер (BCI)

Потенциал технологии нейронного интерфейса для восстановления утраченных сенсорных или моторных функций ошеломляет; Жертвы паралича из-за повреждения периферического нерва могут полностью выздороветь, непосредственно записывая выходные данные своей моторной коры , но эта технология является незрелой и ненадежной. В литературе есть множество примеров записи внутрикортикальных электродов, используемых для различных концов, которые выходят из строя через несколько недель, в лучшем случае несколько месяцев. В этом документе будет рассмотрено текущее состояние исследований отказа электродов с упором на регистрирующие электроды, а не на стимулирующие электроды.

Направление развития хронического ИМК

Хронические интерфейсы мозг-компьютер бывают двух видов: стимулирующие и записывающие. Приложения для стимулирующих интерфейсов включают сенсорное протезирование ( например, кохлеарные имплантаты являются наиболее успешным вариантом сенсорного протезирования) и терапию глубокой стимуляции мозга , в то время как интерфейсы записи могут использоваться для исследовательских приложений и для записи активности речевых или двигательных центров непосредственно из мозг. В принципе, эти системы чувствительны к той же реакции ткани, которая вызывает отказ имплантированных электродов, но стимулирующие интерфейсы могут решить эту проблему за счет увеличения мощности сигнала. Однако регистрирующие электроды должны полагаться на любые сигналы, присутствующие там, где они имплантированы, и их нельзя легко сделать более чувствительными.

Современные имплантируемые микроэлектроды не могут надежно регистрировать активность отдельных или нескольких единиц в хроническом масштабе. Лебедев и Николелис обсуждают в своем обзоре за 2006 год конкретные потребности в исследованиях в этой области, чтобы действительно улучшить технологию до уровня клинического внедрения. Вкратце, в их обзоре изложены 4 требования:

1) Последовательная долгосрочная (в течение многих лет) регистрация больших популяций нейронов, находящихся во многих областях мозга;
2) эффективная вычислительная обработка записанных данных;
3) Включение обратной связи в образ тела пользователя с использованием нативной пластичности ;
4) Достижения в технологии протезирования для создания протезов, способных воспроизводить полный диапазон движений.

В этом обзоре основное внимание будет уделено методам, описанным в литературе, которые имеют отношение к достижению цели постоянных и долговременных записей. Исследования в этом направлении можно разделить на две основные категории: определение конкретных причин сбоя записи и методы предотвращения или задержки выхода из строя электродов.

Взаимодействие между электродом и тканью

Как упоминалось выше, для достижения значительного прогресса в области долгосрочной имплантации электродов важным шагом является документирование реакции живой ткани на имплантацию электродов как в острой, так и в хронической форме. В конечном итоге именно этот тканевый ответ приводит к выходу электродов из строя за счет инкапсуляции самого электрода в защитный слой, называемый «глиальным рубцом» (см. 2.2). Одним из серьезных препятствий для понимания реакции тканей является отсутствие истинной стандартизации техники имплантации или материалов электродов. Общие материалы для изготовления электродов или зондов включают кремний , платину , иридий , полиимид , керамику , золото и другие. В дополнение к разнообразию используемых материалов, электроды имеют множество различных форм, включая плоские стержни, простые однородные микропровода и зонды, которые сужаются к тонкому наконечнику от более широкого основания. При исследовании имплантируемых электродов также используется множество различных методов хирургической имплантации электродов; наиболее важные различия заключаются в том, закреплен ли имплантат поперек черепа и в скорости введения. Общая наблюдаемая реакция ткани вызвана сочетанием травматического повреждения в результате введения электрода и постоянного присутствия инородного тела в нервной ткани.

Определение и минимизация краткосрочных последствий введения электродов

Кратковременное повреждение электродов вызвано их введением в ткань. Следовательно, исследования по минимизации этого сосредоточены на геометрии электрода и правильной технике введения. Кратковременные эффекты введения электродов на окружающие ткани были широко задокументированы. К ним относятся гибель клеток (как нейронов, так и глии ), разорванные отростки нейронов и кровеносных сосудов, механическое сжатие тканей и сбор мусора в результате гибели клеток.

В Bjornsson et al. В исследовании 2006 г. было сконструировано устройство ex vivo специально для изучения деформации и повреждения нервной ткани во время введения электрода. Электроды были сконструированы из кремниевых пластин, чтобы иметь три различных остроты (внутренний угол 5 ° для острых, 90 ° для средних, 150 ° для тупых). Скорость вставки также была представлена тремя скоростями: 2 мм / с, 0,5 мм / с и 0,125 мм / с. Качественная оценка повреждения сосудов была сделана путем получения в реальном времени изображений электродов, вставляемых в коронковые срезы головного мозга толщиной 500 мкм. Чтобы облегчить прямую визуализацию деформации сосудов, ткань перед просмотром метили флуоресцентным декстраном и микрошариками. Флуоресцентный декстран заполнил кровеносные сосуды, позволяя визуализировать исходную геометрию вместе с любыми искажениями или поломками. Флуоресцентные микрошарики размещаются по всей ткани, обеспечивая дискретные координаты, которые помогают в компьютерных расчетах деформации и деформации. Анализ изображений позволил разделить повреждения тканей на 4 категории:

1) вытеснение жидкости,
2) разрыв сосуда,
3) отсечение судна, и
4) волочение судна.

Вытеснение жидкости при введении устройства часто приводило к разрыву сосудов. Разделение и перетаскивание постоянно присутствовали на дорожке вставки, но не коррелировали с геометрией наконечника. Скорее, эти функции были связаны со скоростью вставки, будучи более распространенными при средних и медленных скоростях вставки. Единственным условием, при котором не сообщалось о повреждении сосудов, было более быстрое введение острых зондов.

Тканевая реакция на хроническую имплантацию электродов

При длительной имплантации в нервную ткань микроэлектроды стимулируют своего рода реакцию на инородное тело, в первую очередь вызываемую астроцитами и микроглией . Каждый тип клеток выполняет множество функций, поддерживая здоровую, неповрежденную нервную ткань, и каждый также «активируется» механизмами, связанными с повреждением, что приводит к изменениям морфологии, профиля экспрессии и функции. Также было показано, что тканевая реакция выше в ситуации, когда электроды закреплены через череп субъекта; силы привязки усугубляют травму, вызванную введением электрода, и поддерживают реакцию ткани.

Одна из функций, выполняемых микроглией при активации, - это группировка вокруг инородных тел и их ферментативное разложение. Было высказано предположение, что, когда инородное тело не может быть разложено, как в случае имплантированных электродов, состав материала которых устойчив к такому ферментативному растворению, этот «нарушенный фагоцитоз » способствует сбоям в записи, высвобождая некротические вещества в непосредственной близости и способствуя гибели клеток вокруг электрода.

Активированные астроциты образуют основной компонент инкапсулирующей ткани, которая образуется вокруг имплантированных электродов. « Современные теории утверждают, что глиальная инкапсуляция, то есть глиоз , изолирует электрод от близлежащих нейронов, тем самым препятствуя диффузии и увеличивая импеданс, увеличивает расстояние между электродом и ближайшими к нему целевыми нейронами или создает среду, сдерживающую расширение нейритов, тем самым отталкивая регенерирующие нейроны. процессы вдали от мест записи ». Либо активированные астроциты, либо накопление клеточного мусора в результате гибели клеток вокруг электрода будет действовать, чтобы изолировать места записи от других активных нейронов. Даже очень небольшое увеличение расстояния между электродом и местной популяцией нервов может полностью изолировать электрод, поскольку для получения сигнала электроды должны находиться в пределах 100 мкм.

Другое недавнее исследование посвящено проблеме реакции тканей. Электроды Мичиганского типа (подробные размеры см. В статье) хирургическим путем вводили в мозг взрослых самцов крыс Fischer 344; контрольную популяцию лечили теми же хирургическими процедурами, но электрод был имплантирован и немедленно удален, чтобы можно было сравнить реакцию ткани на острое повреждение и хроническое присутствие. Животных умерщвляли через 2 и 4 недели после имплантации для количественной оценки тканевого ответа с помощью методов гистологического и иммуноокрашивания. Образцы окрашивали на наличие ED1 и GFAP. Показания ED1 + указывают на присутствие макрофагов и наблюдались в плотно упакованной области в пределах приблизительно 50 мкм от поверхности электрода. Клетки ED1 + присутствовали как через 2, так и через 4 недели после имплантации, без существенной разницы между временными точками. Присутствие GFAP указывает на присутствие реактивных астроцитов, и его наблюдали через 2 и 4 недели после имплантации, выступая более чем на 500 мкм от поверхности электрода. Укол-контрольные образцы также показали признаки воспаления и реактивного глиоза, однако сигналы были значительно ниже по интенсивности, чем у хронических испытуемых, и заметно уменьшились с 2 недель до 4 недель. Это убедительное доказательство того, что рубцевание глии, инкапсуляция и возможная изоляция имплантированных микроэлектродов в первую очередь являются результатом хронической имплантации, а не острой травмы.

Другое недавнее исследование, посвященное влиянию хронически имплантированных электродов, указывает на то, что электроды с вольфрамовым покрытием, по-видимому, хорошо переносятся нервной тканью, вызывая небольшой и ограниченный воспалительный ответ только в непосредственной близости от имплантата, связанный с гибелью мелких клеток.

Разработка методов смягчения хронических эффектов

Понятно, что методы борьбы с длительным выходом из строя электродов сосредоточены на обезвреживании реакции на инородное тело. Наиболее очевидно, что это может быть достигнуто за счет улучшения биосовместимости самого электрода, тем самым уменьшая восприятие тканями электрода как инородного вещества. В результате большая часть исследований, направленных на облегчение реакции тканей, сосредоточена на улучшении биосовместимости .

Трудно эффективно оценить прогресс в направлении улучшения биосовместимости электродов из-за разнообразия исследований в этой области.

Повышение биосовместимости записывающих электродов

В этом разделе в общих чертах классифицируются различные подходы к улучшению биосовместимости, описанные в литературе. Описание исследования ограничивается кратким изложением теории и методики, а не результатами, которые подробно представлены в оригинальных публикациях. До сих пор ни один метод не дал результатов, достаточно радикальных, чтобы изменить факт реакции инкапсуляции.

Биологическое покрытие

Исследования, посвященные биоактивным покрытиям для облегчения реакции тканей, проводятся в основном на электродах на основе силикона. Методы включают следующее:

хранение противовоспалительного нейропептида α-MSH под слоем нитроцеллюлозы или внутри нитроцеллюлозного матрикса для постепенного высвобождения в местные ткани после имплантации;
покрытие электродов чередующимися слоями полиэтилимина (PEI) и ламинина (LN), чтобы внешний слой LN уменьшал реакцию ткани, помогая замаскировать электрод под нативный материал;
покрытие электродов проводящей полимерной пленкой для улучшения электрических характеристик, преодоление барьера инкапсуляции за счет увеличения чувствительности электрода.

Функционализация белков

Другое исследование, посвященное улучшению биосовместимости электродов, сосредоточено на функционализации поверхности электрода с помощью соответствующих белковых последовательностей. Исследования показали, что поверхности, функционализированные последовательностями адгезивных пептидов, уменьшают подвижность клеток и поддерживают более высокие популяции нейронов. Также было показано, что пептиды могут быть выбраны для специфической поддержки роста нейронов или глии, и что пептиды могут откладываться в виде паттернов, чтобы направлять рост клеток. Если популяция нейронов может расти на вставленных электродах, неисправность электродов должна быть сведена к минимуму.

Конструкция электрода

В исследовании Кеннеди подробно описывается использование электрода со стеклянным конусом, в который встроен микропровод. Микропроволока используется для записи, а конус заполняется нейротрофическими веществами или нервной тканью, чтобы способствовать росту локальных нейронов в электроде для обеспечения записи. Этот подход преодолевает реакцию тканей, побуждая нейроны приближаться к записывающей поверхности.

Доставка микрофлюидов

Некоторые заметные успехи были также достигнуты в разработке механизмов доставки микрожидкостей, которые якобы могли бы доставлять целевые фармакологические агенты к местам имплантации электродов для облегчения тканевого ответа.

Инструменты исследования разрабатываются

Как и в других областях, некоторые усилия направлены непосредственно на разработку стандартизированных исследовательских инструментов. Цель этих инструментов - предоставить мощный и объективный способ анализа отказов хронических нервных электродов с целью повышения надежности технологии.

Одна из таких попыток описывает разработку модели in vitro для изучения феномена тканевой реакции. Средний мозг хирургическим путем удаляют у крыс Fischer 344 на 14-й день и выращивают в культуре для создания сливного слоя нейронов, микроглии и астроцитов. Этот сливной слой можно использовать для изучения реакции на инородное тело путем царапания или нанесения микропровода электродов на монослой, фиксации культуры в определенные моменты времени после введения / повреждения и изучения реакции ткани с помощью гистологических методов.

Другой инструмент исследования - это численная модель механической границы раздела электрод-ткань. Цель этой модели - не детализировать электрические или химические характеристики поверхности раздела, а механические характеристики, создаваемые адгезией электрода к ткани, силами привязки и несоответствием деформации. Эту модель можно использовать для прогнозирования сил, создаваемых на границе раздела электродов из материалов различной жесткости или геометрии.

Для исследований, требующих большого количества идентичных электродов, в литературе был продемонстрирован лабораторный метод использования кремниевой формы в качестве эталона для изготовления множества копий из полимерных материалов через промежуточное соединение PDMS. Это исключительно полезно для изучения материалов или для лабораторий, которым требуется большое количество электродов, но которые не могут позволить себе покупать их все.

Languages

In other projects