Interfață neuronală

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare
Interfață neuronală (BCI, Brain-Computer Interface ).

O interfață neuronală , cunoscută și sub termenul englezesc Brain-computer interface (BCI, literalmente „interfață creier-computer”), este un mijloc direct de comunicare între un creier (sau părți mai generale funcționale ale sistemului nervos central ) și un dispozitiv extern, cum ar fi un computer . În BCI-urile monodirecționale clasice, dispozitivul extern primește comenzi direct de la semnale provenite din activitatea creierului, cum ar fi semnalul electroencefalografic . Interfețele neuronale unidirecționale reprezintă, prin urmare, funcția complementară cu cea a neuroprotezelor , care, în schimb, sunt dedicate în mod tipic sistemului nervos periferic. BCI bidirecționale combină canalul de comunicare descris cu o linie de retur care ar permite schimbul de informații între dispozitivul extern și creier.

În contextul ingineriei biomedicale și al neuroingineriei , rolul jucat de BCI este în direcția sistemelor funcționale de sprijin și de ajutor pentru persoanele cu dizabilități . [1] Achiziția și interpretarea semnalelor electroencefalografice au fost folosite cu succes pentru a comanda mișcarea unui scaun cu rotile pe căi predefinite, [2] sau sinteza vocală a unui set definit de cuvinte. [3] Se studiază aplicații în domeniul automatizării caselor. [4] [5] [6]

Aplicații la scară nanomatică

Interfețele neuronale care se bazează pe conducția electrică constau în general dintr-o serie de electrozi în contact direct cu țesutul nervos . Aceste instrumente au permis o mai bună cunoaștere a bolilor neurologice și, în multe cazuri, posibilitatea de a trata aceste afecțiuni patologice cu scopul de a trata sau cel puțin de a atenua simptomele care afectează pacientul. Exemple de aplicații clinice ale acestor instrumente includ implanturi cohleare [7] , stimulare profundă a creierului (DBS) [8] și proteze motorii [9] . În toate aceste cazuri, direcția cercetării constă în reducerea dimensiunii interfețelor bioelectrice pentru a minimiza deteriorarea țesutului nervos și a maximiza selectivitatea, iar în acest domeniu nanotehnologiile își găsesc aplicarea.

Dimensiuni și proprietăți electrice

În general, dimensiunea electrozilor variază de la câțiva micrometri până la un milimetru, de exemplu, aria de contact a fiecărui electrod pentru DBS este de aproximativ 6 mm 2 , o dimensiune cu câteva ordine de mărime mai mare decât dimensiunea celulelor pe care le merg a stimula. Această diferență de întindere se datorează efectelor secundare asociate cu stimularea creierului profund pentru tulburările motorii, cum ar fi dificultatea vorbirii [10] . Pentru interfețe în scopul monitorizării semnalelor electrice, zgomotul termic al semnalului înregistrat este proporțional cu rădăcina pătrată a componentei rezistive a impedanței , prin urmare este dificil să se detecteze semnalele electrice individuale și să le deosebească de zgomotul de fond. Din aceste motive, cercetarea se îndreaptă spre depunerea de filme precum oxidul de iridiu [11] sau polimerii conductivi [12] , pentru a reduce impedanța electrozilor și asupra dezvoltării nanostructurilor capabile să conducă și să interfețe cu neuron unic.

Nanotuburile ca interfețe bioelectrice

Nanotuburile de carbon, denumite și mai pe scurt CNT (nanotuburi de carbon), au arătat în ultimii ani o importanță considerabilă în sectorul biomedical datorită proprietăților lor electrice, termice și mecanice. În special în domeniul neurologiei, acestea au fost studiate în principal pentru caracteristicile și dimensiunile lor electrice care le fac capabile să interacționeze cu un singur neuron și, în același timp, să transmită semnale electrice. Acestea sunt împărțite în mai multe clase: cu pereți unici („ cu pereți unici ”), cu pereți dubli („ cu pereți dubli ”) și cu pereți multipli („ cu pereți multipli ”). Peretii unici au o formă cilindrică și o grosime a peretelui de doar un atom, dublul - și multi - au pereți cu grosimea respectivă de doi sau mai mulți atomi, costul lor este mai mic, dar au caracteristici tehnologice (cum ar fi capacitatea de aderență din celule) mai mici decât cu un singur perete [13] . O demonstrație a importanței lor ca interfețe bioelectrice este dată de electrozii acoperiți cu CNT care demonstrează capacități electrice specifice ridicate și permit utilizarea lor ca supercondensatori cu impedanță redusă [14] . În cele din urmă, acestea demonstrează o densitate mare de încărcare, superioară multor tipuri diferite de electrozi.

În ceea ce privește biocompatibilitatea , s-au efectuat multe cercetări pentru a înțelege modul în care reacțiile CNT reacționează la diferitele țesuturi pe care le pot întâlni în corpul uman. În special, aceste cercetări s-au bazat pe comparația dintre CNT și alte substraturi de creștere, cum ar fi sticla sau materialele plastice, referitoare la dezvoltarea, proliferarea, aderența și celulele țesutului nervos.

Mai multe grupuri au demonstrat capacitatea de a "" (covoare de covor) de CNT, depuse pe diferite substraturi, pentru a permite creșterea neuronilor primari dell ' hipocampus și a cortexului șoarecilor, observând în același timp importanța funcționalizării nanotuburilor [ 15] [16] . Cu toate acestea, în ciuda testelor de biocompatibilitate in vitro, au fost observate mai multe cazuri de stres oxidativ care pot duce la fenomene inflamatorii care, de fapt, duc la reducerea și anularea capacităților electrice ale CNT-urilor, limitând utilizarea acestora în interfețele neuronale care trebuie să rămână la un timp nedefinit în țesutul nervos [17] [18] .

CNT depozitat în plasă

CNT-urile s-au dovedit capabile să formeze cuplaje rezistive simple cu mediul extracelular , deși unele studii au condus la dezvoltarea unei teorii de cuplare mai complexă bazată pe o cuplare rezistivă mai directă cu interiorul celulei și CNT-urile substratului. . [19] , (interacțiunile dintre membrana celulară și CNT sunt încă în studiu). Dezvoltarea în special în acest domeniu a fost realizat prin electrodepunerea unei CNT mesh pe anumite site - uri ale unor microelectrozi bazate pe o structură plană de oxid de indiu-staniu [20] , demonstrând îmbunătățiri semnificative în măsurarea diferențelor potențiale. Atât vivo și in vitro . Prezența CNT ca acoperire a redus semnificativ impedanța și nivelurile de zgomot în timpul măsurării și stimulării celulelor cortexului motorului de șoarece.

De asemenea, trebuie remarcat faptul că procedurile de acoperire cu ochiuri CNT, care includ depunerea electrochimică, modificarea covalentă și electropolimerizarea polimerilor conductori pot fi efectuate la temperatura camerei prin substraturi metalice utilizate în mod obișnuit în experimentele de înregistrare neurofiziologică.

CNT-uri aliniate vertical

Comparativ cu aranjamentul mesh descris mai sus, configurația CNT-urilor aliniate vertical are mai multe avantaje, cum ar fi, de exemplu, o interfață mai bună cu celulele și țesuturile printr-o structură mai tridimensională. Pentru a obține această aranjare a nanotuburilor, s-au pregătit substraturi cu situri activate fotolitografic pe care au fost crescute CNT până la 10 micrometri prin depunere chimică de vapori [21] . Mai mult, studiile ulterioare au arătat că prin utilizarea polimerilor, cum ar fi polipirolul , a fost posibilă stabilizarea structurii chiar și într-un mediu apos, constituind un substrat potrivit pentru creșterea neuronală și a neuritei, care s-a dezvoltat între nanotuburi [22] .

Perspective de viitor

Progresele realizate până acum cu electrozi bazați pe CNT implică un potențial considerabil de interfață cu sistemul nervos (un exemplu ar putea fi neurorealitatea , un tip ipotetic de realitate virtuală). Pe lângă cele mai bune capacități de înregistrare și stimulare electrică, CNT oferă posibilitatea de a investiga prezența neurotransmițătorilor oxidabili (prin „detectare voltammetrică”) precum dopamina, care ar putea sta la baza unui sistem de control activ în domeniul terapeutic (de exemplu Parkinson boală) [23] . Astfel, nanotuburile de carbon par a fi un instrument promițător pentru trecerea de la cercetare la terapia medicală.

Notă

  1. ^ BCI și tehnologii de asistare , pe liquidweb.it . Adus la 24 martie 2012 (arhivat din original la 25 noiembrie 2011) .
  2. ^ (EN) Collaborative Wheelchair Project , pe bricerebsamen.com (depus de „Original url 5 ianuarie 2009).
  3. ^ (EN) Implant cerebral Permite omului mut să vorbească , pe nature.com.
  4. ^ Automatizarea caselor bazată pe creier , pe repubblica.it .
  5. ^ Domotica e BCI , pe sensibilab.campuspoint.polimi.it .
  6. ^ MyHome și automatizarea caselor BCI [ link rupt ] , pe myopen-bticino.it .
  7. ^ Middlebrooks JC, Bierer JA, Snyder RL., Implanturi cohleare: vederea din creier. , în Curr. Opin. Neurobiol 2005 .
  8. ^ Walter BL, Vitek JL., Tratament chirurgical pentru boala Parkinson. , în Lancet Neurol 2004 .
  9. ^ Peckham PH, Knutson JS., Stimulare electrică funcțională pentru aplicații neuromusculare. , în Annu. Pr. Biomed. Eng 2005 .
  10. ^ Tommasi G, Krack P, Fraix V și colab., Efecte secundare ale tractului piramidal induse de stimularea profundă a creierului nucleului subtalamic. , în J. Neurol. Neurochirurgie. Psihiatrie 2008 .
  11. ^ Cogan SF, Troyk PR, Ehrlich J, Plante TD, Detlefsen DE., Forme de undă asimetrice cu tendințe de potențial pentru injectarea sarcinii cu electrozi de stimulare neuronală cu oxid de iridiu activat (AIROF). , în IEEE Trans. Biomed. Eng 2006 .
  12. ^ Ludwig KA, Uram JD, Yang JY, Martin DC, Kipke DR., Înregistrări neuronale cronice utilizând matrici de microelectroduri din siliciu depuse electrochimic cu un film poli (3,4-etilendioxitiofen) (PEDOT). , în J. Neural Eng 2006 .
  13. ^ Strano MS, Dyke CA, Usrey ML și colab., Controlul electronic al structurii funcționalizării nanotuburilor de carbon cu pereți unici. , în Știința 2003 .
  14. ^ Li J, Cassell A, Delzeit L, Han J, Meyyappan M., Electrozi 3D noi: proprietăți electrochimice ale ansamblurilor de nanotuburi de carbon. , în J. Phys. Chem. B 2002 .
  15. ^ Mattson MP, Haddon RC, Rao AM., Funcționalizarea moleculară a nanotuburilor de carbon și utilizarea ca substraturi pentru creșterea neuronală. , în J. Mol. Neurosci 2000 .
  16. ^ Galvan-Garcia P, Keefer EW, Yang F și colab., Migrația celulară robustă și creșterea neuronală pe foi și fire de nanotuburi de carbon curate. , în J. Biomater. Schi. Polym. Și 2007 .
  17. ^ Zhong YH, Yu XJ, Gilbert R, Bellamkonda RV., Interfețe stabilizatoare electrod-gazdă: o abordare de inginerie a țesuturilor. , în J. Rehabil. Rez. Dev 2001 .
  18. ^ Polikov VS, Tresco PA, Reichert WM., Răspunsul țesutului cerebral la electrozi neuronali implantați cronic , în J. Neurosci. Metode 2005 .
  19. ^ Mazzatenta A, Giugliano M, Campidelli S și colab., Interfața neuronilor cu nanotuburi de carbon: transferul semnalului electric și stimularea sinaptică în circuitele cerebrale cultivate. , în J. Neurosci , voi. 27.
  20. ^ Gabay T, Ben-David M, Kalifa I și colab., Proprietăți electrochimice și biologice ale matricilor multi-electrozi pe bază de nanotuburi de carbon. , în Nanotehnologie 2007 .
  21. ^ Yu Z, McKnight TE, Ericson NM, Melechko AV, Simpson ML, Morrison B III., Matrici de nanofibre de carbon aliniate vertical înregistrează semnale electrofiziologice din felii de hipocamp. , în Nano Lett 2007 .
  22. ^ Nguyen-Vu TDB, Chen H, Cassell AM, Andrews R, Meyyappan M, Li J., Matrice de nanofibre de carbon aliniate vertical: un avans către interfețele electric-neuronale. , în Small 2006 .
  23. ^ Andrews RJ., Neuroprotection at the nanolevel. Partea a II-a. Nanodispozitive pentru neuromodulare - stimulare profundă a creierului și leziuni ale măduvei spinării. , în Ann. NY Acad. Schi 2007 .

Alte proiecte

Controlul autorității Tezaur BNCF 69786 · LCCN (EN) sh2007000197 · GND (DE) 4616897-7 · BNF (FR) cb170203022 (data)
Adus de la „ https://it.wikipedia.org/w/index.php?title=Neural_interface&oldid=121766006 ”