神経補綴

（また、 神経補綴呼ばれる）Neuroprostheticsは神経科学と神経補綴物の開発に関わる生物医学工学に関連する分野です。それらは、脳とコンピューターのインターフェースとは対照的である場合があります。これは、欠落している生物学的機能を置き換えるためのデバイスではなく、脳をコンピューターに接続します。

人工神経は、怪我や病気の結果として損傷を受けた可能性のある運動、感覚、または認知のモダリティを置き換えることができる一連のデバイスです。人工内耳はそのようなデバイスの例です。これらのデバイスは、co牛で実行される周波数分析をシミュレートしながら、鼓膜とアブミ骨によって実行される機能を置き換えます。外部ユニットのマイクが音を収集して処理します。処理された信号は、微小電極アレイを介して聴覚神経を刺激する埋め込みユニットに転送されます。損傷した感覚の置換または増強を通じて、これらのデバイスは、障害を持つ人々の生活の質を改善することを意図しています。

また、これらの埋め込み型デバイスは、脳とその機能をより深く理解するために神経科学者を支援するツールとして動物実験で一般的に使用されています。被験者の脳に埋め込まれた電極から送信される脳の電気信号をワイヤレスで監視することにより、結果に影響を与えるデバイスなしで被験者を研究できます。

脳内の電気信号を正確に調べて記録すると、特定の機能を担っているニューロンの局所集団間の関係をよりよく理解するのに役立ちます。

神経インプラントは、特に脳、目、またはco牛の周囲の領域での侵襲を最小限に抑えるために、できる限り小さくなるように設計されています。これらのインプラントは通常、補綴物とワイヤレスで通信します。また、現在、皮膚を介したワイヤレス電力伝送を通じて電力が供給されています。通常、インプラントの周囲の組織は温度上昇に非常に敏感です。つまり、組織の損傷を防ぐためには、電力消費を最小限に抑える必要があります。

現在最も普及している人工神経は人工内耳であり、2012年時点で世界中で30万人以上が使用されています。

歴史

最初の既知の人工内耳は1957年に作成されました。他のマイルストーンには、1961年の片麻痺の最初の足の人工装具、1977年の最初の聴覚脳幹インプラント、1981年の成体ラットの脊髄への末梢神経橋の移植が含まれます。 1988年、腰椎前根インプラントと機能的電気刺激（FES）により、対麻痺者グループの立位と歩行が容易になりました。

脳に埋め込まれた電極の開発に関して、初期の困難は、最初に電極を針で挿入し、所望の深さで針を折ることによって電極を確実に見つけることでした。最近のシステムでは、パーキンソン病の症状を緩和するために脳深部刺激で使用されるプローブなど、より高度なプローブを利用しています。どちらのアプローチの問題も、プローブは頭蓋骨に自由に浮いているが、プローブは浮いていないため、低速の自動車事故などの比較的小さな影響が潜在的に損傷しているということです。ミシガン大学のケンソールワイズなどの一部の研究者は、「脳の外面に取り付ける電極」を頭蓋の内面につなぐことを提案しています。ただし、成功したとしても、テザリングでは、脳深部刺激（DBS）の場合など、脳の奥深くに挿入することを意図したデバイスの問題は解決されません。

視覚補綴

視覚補綴物は、視覚系のニューロンを電気的に刺激することにより、イメージの感覚を作り出すことができます。カメラは無線でインプラントに送信し、インプラントは画像を電極アレイにマッピングします。電極の配列は600〜1000の場所を効果的に刺激する必要があり、網膜のこれらの視神経細胞を刺激することで画像を作成します。刺激は、光信号の経路に沿ってどこでも行うことができます。視神経を刺激して画像を作成したり、視覚野を刺激したりすることができますが、網膜インプラントでは臨床試験が最も成功していることが証明されています。

視覚補綴システムは、ビデオを取得して処理する外部（または埋め込み型）イメージングシステムで構成されています。電力とデータは、外部ユニットによってインプラントにワイヤレスで送信されます。インプラントは受信した電力/データを使用して、デジタルデータをアナログ出力に変換し、マイクロ電極を介して神経に送ります。

光受容体は、光子を電気信号に変換する特殊なニューロンです。それらは網膜の一部であり、眼の後部に並ぶ厚さ約200 umの多層神経構造です。処理された信号は、視神経を介して脳に送信されます。この経路のいずれかの部分が損傷している場合、失明が発生する可能性があります。

失明は、光路（角膜、房水、水晶体、および硝子体）の損傷から生じる可能性があります。これは、事故や病気の結果として発生する可能性があります。視細胞喪失に続発する失明をもたらす2つの最も一般的な網膜変性疾患は、加齢黄斑変性症（AMD）および網膜色素変性症（RP）です。

恒久的に埋め込まれた人工網膜の最初の臨床試験は、3500個の要素を持つ受動マイクロフォトダイオードアレイを備えたデバイスでした。この試験は2000年にOptobionics、Inc.で実施されました。2002年、Second Sight Medical Products、Inc.（カリフォルニア州シルマー）は、16個の電極を備えたプロトタイプ網膜上インプラントの試験を開始しました。被験者は、RPに続く裸の光の知覚を持つ6人の個人でした。被験者は、統計的に確率を上回るレベルで3つの一般的なオブジェクト（プレート、カップ、ナイフ）を区別する能力を実証しました。 Retina Implant GMbH（ロイトリンゲン、ドイツ）によって開発されたアクティブな網膜下デバイスは、2006年に臨床試験を開始しました。1500個のマイクロフォトダイオードを備えたICが網膜の下に埋め込まれました。マイクロフォトダイオードは、フォトダイオードに入射する光の量に基づいて電流パルスを変調します。

視覚補綴物の開発に向けた精力的な実験作業は、大きな表面電極のグリッドを使用した皮質刺激によって行われました。 1968年、Giles Brindleyは、52歳の盲目の女性の視覚皮質表面に80電極デバイスを埋め込みました。刺激の結果、患者は視野の40の異なる位置で閃光を見ることができました。この実験は、埋め込まれた電気刺激装置がある程度の視力を回復できることを示しました。視覚皮質プロテーゼにおける最近の取り組みにより、非ヒト霊長類における視覚皮質刺激の有効性が評価されました。この実験では、訓練とマッピングのプロセスの後、サルは光と電気の両方の刺激で同じ視覚サッカードタスクを実行できます。

高解像度の人工網膜の要件は、デバイスの恩恵を受ける盲目の個人のニーズと欲求に従う必要があります。これらの患者との相互作用は、杖なしでの移動、顔認識、読書が必要な主要な機能であることを示しています。

完全に機能的な視覚補綴物の結果と意味は刺激的です。ただし、課題は重大です。網膜に良質の画像をマッピングするには、多数のマイクロスケール電極アレイが必要です。また、画質は、ワイヤレスリンクを介して送信できる情報量によって異なります。また、この大量の情報は、組織を損傷する可能性のある大きな電力消費なしに、インプラントによって受信および処理されなければなりません。インプラントのサイズも大きな関心事です。インプラントは、低侵襲性であることが望ましいでしょう。

この新しい技術により、ドレクセルのカレン・モクソン、SUNYのジョン・チャピン、デューク大学のミゲル・ニコレリスなどの複数の科学者が、洗練された視覚補綴物の設計に関する研究を開始しました。他の科学者は彼らの研究の焦点に反対し、密集した極細線の基礎研究と設計は進むには十分に洗練されていないと主張した。

聴覚補綴

（音声受信用）

人工内耳（CI）、聴覚脳幹インプラント（ABI）、聴覚中脳インプラント（AMI）は、聴覚補綴物の3つの主要なカテゴリです。 CI電極アレイはco牛に埋め込まれ、ABI電極アレイは下脳幹のco牛核複合体を刺激し、AMIは下丘の聴覚ニューロンを刺激します。人工内耳は、これら3つのカテゴリの中で非常に成功しています。現在、Advanced Bionics Corporation、Cochlear Corporation、Med-El Corporationは、co牛インプラントの主要な商業プロバイダーです。

人工内耳は、音を増幅して外耳に送る従来の補聴器とは対照的に、音を取得して処理し、電気エネルギーに変換してから聴覚神経に送ります。 CIシステムのマイクは、外部環境から音声を受信し、プロセッサに送信します。プロセッサはサウンドをデジタル化し、それらの周波数にほぼ対応するco牛の適切な等張領域に送信される個別の周波数帯域にフィルタリングします。

1957年、フランスの研究者A. DjournoとC. Eyriesは、D。Kayserの助けを借りて、被験者の聴覚神経を直接刺激する最初の詳細な説明を提供しました。個人は、シミュレーション中にチャープ音が聞こえることを説明しました。 1972年、成人の最初のポータブル人工内耳システムが下院耳クリニックで移植されました。米国食品医薬品局（FDA）は、1984年11月にHouse-3M人工内耳のマーケティングを正式に承認しました。

人工内耳のパフォーマンスの向上は、インプラント刺激の物理的および生物物理学的な制限を理解するだけでなく、脳のパターン処理要件を理解することにも依存します。最新の信号処理は、最も重要な音声情報を表し、脳に必要なパターン認識情報も提供します。脳内のパターン認識は、音声の重要な特徴を特定するアルゴリズムの前処理よりも効果的です。聴覚補綴物の性能を最大化するための適切な技術バランスを実現するには、工学、信号処理、生物物理学、および認知神経科学の組み合わせが必要でした。

人工内耳は、先天性難聴児の話し言葉発達の獲得を可能にするためにも使用されており、早期の着床で著しい成功を収めています（2〜4歳に達する前）。世界中で約80,000人の子供が移植されています。

より良い聴力のために同時電気音響刺激（EAS）を組み合わせるという概念は、1999年にドイツのフランクフルト大学のC. von IlbergとJ. Kieferによって最初に説明されました。その同じ年に最初のEAS患者が移植されました。。 2000年代初期からFDAは、Cochlear Corporationによる「ハイブリッド」と呼ばれるデバイスの臨床試験に関与してきました。この試験の目的は、低周波聴力が残存している患者でのch牛移植の有用性を調べることです。「ハイブリッド」は、標準のco牛インプラントよりも短い電極を使用します。電極が短いため、electrode牛のバジル領域を刺激し、それにより、高周波のトノトピック領域を刺激します。理論的には、これらのデバイスは、音声周波数範囲で知覚を失い、したがって識別スコアが低下した、有意な低周波数残留聴覚を持つ患者に利益をもたらすでしょう。

音声の生成については、音声合成を参照してください。

痛みを軽減するための補綴

SCS（脊髄刺激装置）デバイスには、電極とジェネレーターの2つの主要コンポーネントがあります。神経障害性疼痛に対するSCSの技術的な目標は、痛みの緩和を達成するためにこのオーバーラップが必要（ただし十分ではない）ため、「知覚異常」として知られる刺激によって刺痛で患者の痛みの領域をマスクすることです。感覚異常の範囲は、どの求心性神経が刺激されるかに依存します。脊髄の軟膜表面に近い背側正中線電極によって最も容易に動員されるのは、背側の大きな求心性神経であり、これは尾部を覆う広い感覚異常を生じます。

古代には、電気発生魚は痛みを和らげるための衝撃として使用されていました。ヒーラーは、魚の生殖能力を活用して頭痛を含むさまざまな種類の痛みを治療するための具体的かつ詳細な技術を開発していました。生きているショックジェネレーターを使用するのは厄介であるため、適切な時間、標的に治療を施すにはかなりのレベルのスキルが必要でした。（魚を可能な限り長く保つことを含む）電気鎮痛は最初の意図的な電気の適用でした。 19世紀までに、ほとんどの西洋の医師は、携帯用発電機で患者に電気療法を提供していました。しかし、1960年代半ばには、電気刺激の未来を確実にするために3つのことが収束しました。

1950年に開始されたPacemakerテクノロジーが利用可能になりました。
MelzackとWallは、痛みのゲート制御理論を発表しました。これは、大きな求心性線維の刺激によって痛みの伝達をブロックできることを提案しました。
先駆的な医師は、患者の痛みを和らげるために神経系を刺激することに興味を持ちました。

電極の設計オプションには、サイズ、形状、配置、数、接点の割り当て、電極の埋め込み方法が含まれます。パルスジェネレーターの設計オプションには、電源、ターゲットの解剖学的配置位置、電流または電圧源、パルスレート、パルス幅、および独立チャンネルの数が含まれます。プログラミングオプションは非常に多数あります（4接点電極は50の機能的なバイポーラの組み合わせを提供します）。現在のデバイスは、コンピューター化された機器を使用して、使用に最適なオプションを見つけています。この再プログラミングオプションは、姿勢の変化、電極の移動、痛みの場所の変化、最適でない電極の配置を補正します。

義肢装具

自律神経系の機能をサポートするデバイスには、膀胱制御用のインプラントが含まれます。体性神経系では、運動の意識的制御を支援するために、機能的電気刺激および腰部前根刺激装置が含まれます。

膀胱制御インプラント

脊髄病変が対麻痺につながる場合、患者は膀胱を空にすることが困難であり、これにより感染が引き起こされる可能性があります。 1969年以降、ブリンドリーは仙骨前根刺激装置を開発し、1980年代初期以降の人間の試験に成功しました。この装置は、脊髄の仙骨前根神経節に埋め込まれています。外部送信機によって制御され、膀胱の排出を改善する断続的な刺激を提供します。また、排便を助け、男性患者が持続的な完全勃起を行えるようにします。

仙骨神経刺激の関連手順は、健常な患者の失禁を制御するためのものです。

運動を意識的に制御するための運動補綴

研究者は現在、四肢麻痺や筋萎縮性側索硬化症などの運動障害のある人の運動と外界とのコミュニケーション能力を回復するのに役立つ運動神経補綴物を調査し、構築しています。研究では、線条体が運動感覚学習において重要な役割を果たすことがわかっています。これは、実験を続けて行った後に実験ラットの線条体の発火率がより高い率で記録された実験によって実証されました。

脳からの電気信号を捕捉するために、科学者は、電気活動を記録するために頭蓋骨に埋め込み、細いケーブルを介して記録された情報を変換できる、平方センチメートルより小さい微小電極アレイを開発しました。サルでの数十年の研究の後、神経科学者は神経信号を動きにデコードすることができました。翻訳を完了すると、研究者は患者がコンピューターのカーソルを動かすことができるインターフェースを構築し、患者は動きについて考えることで制御できるロボットの手足と外骨格を構築し始めています。

運動神経プロテーゼの背後にある技術はまだ初期段階にあります。調査員と研究参加者は、人工装具のさまざまな使用方法を実験し続けています。たとえば、患者に拳を噛みしめることを考えさせると、指をタップすることを考えさせるのとは異なる結果になります。プロテーゼで使用されるフィルターも微調整されており、将来、医師はケーブルではなく、頭蓋骨の内側からワイヤレスで信号を送信できるインプラントを作成したいと考えています。

予備的な臨床試験は、デバイスが安全であり、効果的である可能性があることを示唆しています。一部の患者は、2年以上デバイスを装着しており、悪影響はほとんどありません。

これらの進歩の前に、フィリップケネディ（エモリーおよびジョージア工科大学）は、麻痺のある個人が脳活動を調節することによって単語を綴ることを可能にする、ある程度原始的なシステムを備えていました。ケネディのデバイスは2つの神経栄養電極を使用しました。最初の電極は無傷の運動皮質領域（指の表示領域など）に埋め込まれ、文字のグループ間でカーソルを移動するために使用されました。 2番目は別の運動領域に移植され、選択を示すために使用されました。

胸筋に通常接続されている神経を使用して、失われた腕をサイバネティック交換に置き換える開発が続けられています。これらのアームはわずかに限られた動作範囲を可能にし、伝えられるところでは圧力と温度を検出するためのセンサーを搭載する予定です。

ノースウェスタン大学とシカゴのリハビリテーション研究所のトッド・クイケン博士は、電動義肢装具を制御し、感覚フィードバックを取り戻すために、切断者の標的再神経支配と呼ばれる方法を開発しました。

感覚/運動補綴

2002年、現在はBraingateのセンサー部分を形成する100電極のマルチ電極アレイが、科学者Kevin Warwickの正中神経線維に直接埋め込まれました。記録された信号は、ワーウィックの同僚であるピーター・カイバードによって開発されたロボットアームの制御に使用され、ワーウィック自身の腕の動作を模倣することができました。さらに、小さな電流を神経に流すことにより、インプラントを介して感覚フィードバックの形式が提供されました。これは手の最初の虫様筋の収縮を引き起こし、知覚されたのはこの動きでした。

神経インターフェースの外科的革新

MIT Biomechatronics Groupは、生体筋肉と筋電プロテーゼが高い信頼性で神経と接続できるようにする新しい切断パラダイムを設計しました。アゴニスト-アンタゴニスト筋神経界面（AMI）と呼ばれるこの外科的パラダイムは、単に付属肢に似ている人工装具を使用するのではなく、自分の身体の延長として義肢を感知および制御する能力をユーザーに提供します。正常なアゴニストとアンタゴニストの筋肉のペアの関係（例えば、二頭筋と三頭筋）で、アゴニストの筋肉が収縮すると、アンタゴニストの筋肉が伸び、逆もまた同様であり、それを見ることなく、四肢の位置を知ることができます。標準的な切断中に、アゴニスト-アンタゴニスト筋肉（例えば、二頭筋-三頭筋）は互いに隔離され、感覚フィードバックを生成する動的な収縮延長メカニズムを持つ能力を妨げます。したがって、現在の切断者は、義肢が遭遇する物理的環境を感じる方法がありません。さらに、200年以上にわたって行われている現在の切断手術では、1/3の患者が断端の痛みのために修正手術を受けています。

AMIは、もともとアゴニストとアンタゴニストの関係を共有していた2つの筋肉で構成されています。切断手術中、これらの2つの筋肉は切断された断端内で機械的に連結されます。複数の人工関節の制御と感覚を確立するために、患者の関節の自由度ごとに1つのAMI筋肉ペアを作成できます。この新しい神経インターフェースの予備試験で、AMIを患う患者は、プロテーゼに対するより優れた制御を実証し、報告しています。さらに、階段歩行中のより自然な反射行動が、従来の切断患者と比較して観察されました。 AMIは、2つの血管を除去した筋肉移植片の組み合わせによっても構築できます。これらの筋肉移植片（またはフラップ）は、除神経され（元の神経から切り離され）、切断される肢にある切断された神経によって再び神経支配されるために体の一部から除去される予備筋肉です。再生された筋肉フラップの使用により、AMIは、極度の萎縮または損傷を経験した筋肉組織を持つ患者、または神経腫の痛み、骨棘などの理由で切断された肢の修正を受けている患者に対して作成できます。

障害物

数学的モデリング

正常に機能する組織の非線形入力/出力（I / O）パラメーターの正確な特性評価は、正常な生物学的シナプス信号を模倣する人工装具の設計に最も重要です。これらの信号の数学的モデリングは、「ニューロンとそのシナプス接続を構成する細胞/分子メカニズムに固有の非線形ダイナミクスのため」の複雑なタスクです。ほぼすべての脳ニューロンの出力は、シナプス後入力がアクティブであり、入力が受信される順序に依存しています。（それぞれ空間的および時間的特性）。

I / Oパラメータが数学的にモデル化されると、通常の生物学的信号を模倣するように集積回路が設計されます。補綴物が正常な組織のように機能するためには、入力信号を処理する必要があります。これは、正常な組織と同じ方法で変換として知られています。

サイズ

埋め込み可能なデバイスは、脳に直接埋め込むために非常に小さく、およそ4分の1のサイズでなければなりません。マイクロインプランタブル電極アレイの例の1つはユタアレイです。

ワイヤレス制御デバイスは頭蓋骨の外側に取り付けることができ、ポケットベルよりも小さくする必要があります。

消費電力

消費電力はバッテリーサイズを大きくします。埋め込み回路の最適化により、必要な電力が削減されます。現在、埋め込み型デバイスにはオンボード電源が必要です。バッテリーがなくなったら、ユニットを交換するために手術が必要です。バッテリーの寿命が長くなると、バッテリーの交換に必要な手術が少なくなります。電動歯ブラシでは、手術やワイヤなしでインプラントバッテリーを充電するために使用できるオプションの1つが使用されています。これらのデバイスは、誘導結合を利用してバッテリーを再充電します。別の戦略は、無線周波数識別タグのように、電磁エネルギーを電気エネルギーに変換することです。

生体適合性

認知補綴物は脳に直接移植されるため、生体適合性は克服すべき非常に重要な障害です。デバイスのハウジングで使用される材料、電極材料（酸化イリジウムなど）、および電極絶縁体は、長期注入用に選択する必要があります。規格の対象：ISO 14708-3 2008-11-15、手術用インプラント-アクティブな埋め込み型医療機器パート3：埋め込み型神経刺激装置。

血液脳関門を越えると、免疫応答を引き起こす可能性のある病原体またはその他の物質が混入する可能性があります。脳には、身体の他の部分の免疫系とは異なる作用をする独自の免疫系があります。

回答する質問：これは材料の選択にどのように影響しますか？脳には異なる作用をするユニークなファージがあり、体の他の領域で生体適合性があると考えられる物質に影響を与える可能性がありますか？

データ送信

ワイヤレス伝送は、日常生活の中で個人の神経信号を継続的に記録できるように開発されています。これにより、医師と臨床医はより多くのデータを取得できるようになり、てんかん発作などの短期イベントを確実に記録できるようになり、神経疾患の治療と特性評価が向上します。

スタンフォード大学で霊長類の脳ニューロンを常時記録できる小型軽量デバイスが開発されました。この技術により、神経科学者は研究室の制御された環境の外で脳を研究することもできます。

データ送信の方法は、堅牢で安全でなければなりません。ニューロセキュリティは新しい問題です。認知インプラントのメーカーは、機能を妨害する可能性のある有害なデータの不必要なダウンロードやアップロードを防止する必要があります。

正しい移植

デバイスの埋め込みには多くの問題があります。まず、正しいシナプス前入力をデバイスの正しいシナプス後入力に配線する必要があります。第二に、デバイスからの出力は、目的の組織に正しく向けられている必要があります。第三に、脳はインプラントの使用方法を学ばなければなりません。脳の可塑性に関するさまざまな研究は、これが適切な動機付けで設計されたエクササイズによって可能になることを示唆しています。

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