神经工程

神经工程是生物医学工程中的一门学科，它使用工程技术来理解，修复，替换或增强神经系统。 神经工程师具有解决活体神经组织和非活体构造之间的设计问题的独特资格（Hetling，2008年）。



内容
1 概述
2 历史
3 基础
3.1 神经科学
3.2 工程
4 范围
4.1 神经力学
4.2 神经调节
4.3 神经再生和修复
5 研究与应用
5.1 神经影像
5.2 神经网络
5.3 神经接口
5.3.1 脑计算机接口
5.3.2 微系统
5.3.2.1 微电极阵列
5.4 神经假体
5.5 神经机器人学
5.6 神经组织再生
5.6.1 当前的临床治疗方法
5.6.2 修复的工程策略
5.6.2.1 移植
5.6.2.2 神经引导通道
5.6.2.3 生物分子疗法
5.6.2.4 交付技巧
5.6.2.5 高级疗法
5.7 神经增强
6 参考

概述
神经工程学领域涉及计算神经科学，实验神经科学，临床神经病学，电气工程和活体神经组织的信号处理领域，涵盖了机器人技术，控制论，计算机工程，神经组织工程，材料科学和纳米技术等领域。

该领域的主要目标包括通过神经系统与人工装置之间的直接相互作用来恢复和增强人类功能。

当前的许多研究都集中在理解感觉和运动系统中信息的编码和处理，量化这种处理在病理状态下如何变化以及如何通过与包括脑机接口和神经义肢在内的人工设备的交互作用进行操纵。技术。

其他研究更多地集中在通过实验进行研究，包括使用与外部技术连接的神经植入物。

神经流体动力学是神经工程的一个分支，其重点是神经系统的流体动力学。

历史
由于神经工程是一个相对较新的领域，因此与之相关的信息和研究相对有限，尽管它正在迅速变化。专门针对神经工程的第一批期刊《神经工程杂志》和《神经工程与康复杂志》于2004年问世。IEEE自2003年以来一直在国际会议上召开会议，会议于2009年4月29日至5月2日在安塔利亚举行，土耳其第四届神经工程大会，[1]第五届国际IEEE EMBS神经工程大会于2011年4月/ 5月在墨西哥坎昆举行，第六届会议于2013年11月在加利福尼亚州圣地亚哥举行。第七届会议于2015年4月举行。在蒙彼利埃。第八届会议于2017年5月在上海举行。

基本原理
神经工程背后的基础知识涉及神经元，神经网络和神经系统功能与可量化模型之间的关系，以帮助开发可以解释和控制信号并产生有目的响应的设备。

神经科学
身体用来影响思想，感觉，运动和生存的信息是通过在大脑组织和身体其他部位传递的神经冲动来指导的。神经元是神经系统的基本功能单位，是高度专门化的细胞，能够发送这些信号，从而发挥生存和生活质量所需的高低水平功能。神经元具有特殊的电化学特性，可以使它们处理信息，然后将该信息传输到其他细胞。神经元活动取决于神经膜电位以及沿其和跨越其发生的变化。通常，通过跨神经元膜的特定浓度的特定离子，可以维持恒定的电压（称为膜电位）。此电压的中断或变化会在整个膜上产生不平衡或极化。膜的去极化超过其阈值电位会产生一个动作电位，这是信号传递的主要来源，被称为神经系统的神经传递。动作电位的结果是离子流向下并穿过轴突膜，形成有效的电压尖峰序列或“电信号”，可以在其他细胞中传递进一步的电变化。信号可以通过电，化学，磁，光和其他形式的刺激来产生，这些刺激会影响电荷的流动，进而影响跨神经膜的电压水平（He 2005）。

工程
工程师采用定量工具，这些工具可用于理解复杂的神经系统并与之交互。研究和产生负责神经组织中细胞外场电势和突触传递的化学，电，磁和光信号的方法有助于研究人员调节神经系统活动（Babb等，2008）。为了了解神经系统活动的特性，工程师使用信号处理技术和计算模型（Eliasmith＆Anderson 2003）。为了处理这些信号，神经工程师必须将跨神经膜的电压转换为相应的代码，这一过程称为神经编码。神经编码使用有关大脑如何以中央模式生成器（CPG），运动矢量，小脑内部模型和体位图的形式编码简单命令的研究，以了解运动和感觉现象。在神经科学领域对这些信号进行解码是神经元了解已传输给它们的电压的过程。转换涉及将某种形式的信号解释然后转换为另一种形式的机制。工程师希望对这些转换进行数学建模（Eliasmith＆Anderson 2003）。有多种方法可以用来记录这些电压信号。这些可以是细胞内或细胞外的。细胞外方法涉及单单位记录，细胞外场电势和电流分析法。最近，多电极阵列已被用于记录和模拟信号。

范围
神经力学
神经力学是神经生物学，生物力学，感觉和知觉以及机器人技术的结合（Edwards 2010）。研究人员正在使用先进的技术和模型来研究神经组织的机械特性及其对组织承受和产生力与运动的能力的影响，以及它们对创伤负荷的脆弱性（Laplaca＆Prado 2010）。该研究领域着重于转移神经肌肉和骨骼系统之间的信息转换，以开发与这些系统的运作和组织有关的功能和支配规则（Nishikawa等，2007）。可以通过将神经回路的计算模型与位于虚拟物理世界中的动物身体模型相连接来模拟神经力学（Edwards 2010）。目前正在研究生物力学的实验分析，包括运动的运动学和动力学，运动过程中运动和感觉反馈的过程和模式以及负责运动控制的大脑的电路和突触组织，以了解动物运动的复杂性。乔治亚理工学院的Michelle LaPlaca博士的实验室参与了细胞培养物的机械拉伸，平面细胞培养物的剪切变形以及含3D细胞的基质的剪切变形的研究。对这些过程的理解之后，将开发能够在具有特殊定义参数的闭环条件下表征这些系统的功能模型。神经力学的研究旨在改善对生理健康问题的治疗方法，包括优化假体设计，损伤后运动的恢复以及移动机器人的设计和控制。通过研究3D水凝胶中的结构，研究人员可以确定神经细胞力学特性的新模型。例如，LaPlaca等。开发了一个新模型，表明菌株可能在细胞培养中起作用（LaPlaca等，2005）。

神经调节
神经调节旨在通过采用医疗设备技术来治疗疾病或损伤，该技术将通过递送药剂，电信号或其他形式的能量刺激来增强或抑制神经系统的活动，以在大脑受损区域重新建立平衡。该领域的研究人员面临着将理解神经信号的进步与以更高的灵敏度，生物相容性和大脑闭环方案的生存力提供和分析这些信号的技术进步相联系的挑战，从而可以创造出新的疗法和临床应用来治疗遭受各种神经损伤的人。[2]神经调节器设备可以纠正与帕金森氏病，肌张力障碍，震颤，图雷特氏病，慢性疼痛，强迫症，严重抑郁症以及最终癫痫症有关的神经系统功能障碍。[2]神经调节作为治疗各种缺陷的方法很有吸引力，因为它只专注于治疗高度特定的大脑区域，而全身疗法则可能对身体产生副作用。诸如微电极阵列之类的神经调节刺激物可以刺激并记录脑功能，并且经过进一步的改进，有望成为用于药物和其他刺激的可调式和响应性传递装置。[3]

神经再生和修复
神经工程和康复应用神经科学和工程技术来研究周围和中枢神经系统的功能，并找到针对因脑部损伤或故障而引起的问题的临床解决方案。应用于神经再生的工程学专注于为特定应用促进神经元生长的工程设备和材料，例如周围神经损伤的再生，脊髓损伤的脊髓组织的再生以及视网膜组织的再生。基因工程和组织工程是脊髓发育的区域发展支架，从而有助于解决神经系统疾病（Schmidt＆Leach 2003）。[2]

研究与应用
专注于神经工程的研究利用设备来研究神经系统的功能和故障（Schmidt＆Leach 2003）。

神经影像
神经成像技术用于研究神经网络的活动以及大脑的结构和功能。神经成像技术包括功能性磁共振成像（fMRI），磁共振成像（MRI），正电子发射断层扫描（PET）和计算机轴向断层扫描（CAT）扫描。功能性神经影像研究对大脑的哪些区域执行特定任务感兴趣。功能磁共振成像测量与神经活动密切相关的血液动力学活动。它通过将脑部扫描仪调整到特定波长来探测大脑，从而通过观察照亮的人在做不同的事情来查看大脑的哪一部分被激活以执行不同的任务。 PET，CT扫描仪和脑电图（EEG）目前正在得到改进，并用于类似目的。[2]

神经网络
科学家可以使用神经元系统的实验观察结果以及这些系统的理论和计算模型来创建神经网络，希望以尽可能逼真的方式对神经系统进行建模。神经网络可用于分析，以帮助设计更多的神经技术设备。具体来说，研究人员可以进行分析或有限元建模，以确定神经系统对运动的控制，并应用这些技术来帮助患有脑损伤或疾病的患者。可以从理论和计算模型构建人工神经网络，并从理论上的设备方程或观察到的神经元系统行为的实验结果在计算机上实现人工神经网络。模型可能表示离子浓度动态，通道动力学，突触传递，单神经元计算，氧代谢或动态系统理论的应用（LaPlaca等，2005）。基于液体的模板组装用于从播种有神经元的微载体珠中构建3D神经网络。[4]

神经接口
神经接口是用于研究神经系统以及用工程设备增强或替代神经元功能的主要元素。工程师面临的挑战是发展电极，该电极可以从相关的电子电路中进行选择性记录，以收集有关神经系统活动的信息，并刺激神经组织的特定区域以恢复该组织的功能或感觉（Cullen等，2011）。这些设备使用的材料必须与放置它们的神经组织的机械特性相匹配，并且必须评估其损坏程度。神经接口涉及生物材料支架或慢性电极的临时再生，必须管理人体对异物的反应。微电极阵列是可用于研究神经网络的最新进展（Cullen＆Pfister 2011）。光学神经接口涉及使脑细胞对光敏感的光学记录和光遗传学刺激。可以将光纤植入大脑来刺激和记录这种光子活动，而不是电极。双光子激发显微镜可以研究活的神经元网络和神经元之间的交流事件。[2]

脑计算机接口
脑计算机接口试图与人的神经系统直接通信，以监视和刺激神经回路以及诊断和治疗内在的神经功能障碍。深度脑部刺激是该领域的一项重大进步，尤其是通过高频刺激神经组织抑制震颤来有效治疗运动障碍（如帕金森氏病）（Lega等，2011）。

微系统
可以开发神经微系统来解释并向神经组织传递电，化学，磁和光信号。他们可以通过使用电极或通过评估化学浓度，荧光强度或磁场电势来检测膜电势的变化并测量电性能，例如尖峰数，幅度或速率。这些系统的目标是传递会影响神经元组织潜能的信号，从而刺激脑组织引起所需的反应（He 2005）。

微电极阵列
微电极阵列是用于检测细胞外环境中电压的急剧变化的特定工具，这些变化是由于动作电位沿轴突的传播而发生的。 Mark Allen博士和LaPlaca博士使用细胞相容性材料（例如SU-8和SLA聚合物）制造了3D微型电极，从而开发了具有高顺应性和灵活性以最大程度减少组织破坏的体外和体内微电极系统。

神经假体
神经义肢技术是能够通过刺激神经系统并记录其活动来补充或替代神经系统缺失功能的设备。测量神经发射的电极可以与假肢装置集成在一起，并向假肢装置发出信号，以执行所传输信号所预期的功能。感官假体使用人工传感器代替生物来源可能缺少的神经输入（He 2005）。研究这些设备的工程师负责提供与神经元组织的长期，安全，人工接口。这些感觉假体中最成功的也许是耳蜗植入物，它已恢复了聋人的听力。恢复盲人视觉能力的视觉假体仍处于较基本的发展阶段。运动假体是与生物神经肌肉系统的电刺激有关的设备，可以替代大脑或脊髓的控制机制。通过将神经从截肢者的残端移植到肌肉上，可以设计智能假体来替代受神经信号控制的缺失肢体。放置在皮肤上的电极可以解释信号，然后控制假肢。这些假肢非常成功。功能性电刺激（FES）是旨在恢复站立，行走和抓握等运动过程的系统。[2]

神经机器人学
神经机器人学是关于如何在机械机器中体现神经系统和模拟运动的研究。神经机器人通常用于研究运动控制和运动，学习和记忆选择以及价值体系和动作选择。通过研究现实环境中的神经机器人，可以更容易地观察和评估它们，以其嵌入式神经系统以及这些系统对环境的反应来描述机器人功能的启发法（Krichmar 2008）。[5]例如，利用大电流尖峰波动力学的计算模型，已经证明了通过伪谱协议模拟癫痫发作减轻的方法的有效性。该计算模型通过使用来自特发性全身性癫痫患者的磁成像共振来模拟大脑的连通性。该方法能够产生能够减少癫痫发作的刺激。

神经组织再生
神经组织再生或神经再生看起来可以恢复那些在小损伤和大损伤（如由创伤性脑损伤引起的损伤）中受损的神经元的功能。受损神经的功能恢复涉及重建轴突到神经支配部位的连续途径。乔治亚理工学院的LaPlaca博士等研究人员正在寻求通过组织工程策略帮助寻找创伤性脑损伤和脊髓损伤后的修复和再生治疗。 LaPlaca博士正在研究将神经干细胞与基于细胞外基质蛋白的支架相结合的方法，以便将其以微创方式输送至创伤后形成的不规则形状的病变中。通过在体外研究神经干细胞并探索其他细胞来源，设计可以在支架中使用的新型生物聚合物，并研究在创伤性大脑和脊髓损伤模型中体内进行细胞或组织工程改造的结构移植物，LaPlaca博士的实验室目的是确定损伤后神经再生的最佳策略。

当前临床治疗方法
端到端缝合缝合损伤的神经末端可以用自体神经移植物修复小间隙。对于较大的损伤，可以使用从身体另一个部位采集的自体神经移植物，尽管此过程耗时，昂贵且需要进行两次手术（Schmidt＆Leach 2003）。中枢神经系统的临床治疗很少，主要集中在减少损伤或炎症部位附近的骨碎片引起的附带损害。周围的伤口肿胀减轻后，病人要进行康复，以便可以训练剩余的神经以补偿受伤的神经中神经功能的不足。目前尚无治疗可恢复已受损的CNS神经的神经功能（Schmidt＆Leach 2003）。

修复的工程策略
脊髓损伤修复的工程策略着眼于为神经再生创造友好的环境。迄今为止，只有PNS神经损伤在临床上是可能的，但是遗传技术和生物材料的研究进展表明，SC神经在允许的环境中再生的潜力。

移植
自体组织移植物的优点是它们来自天然材料，具有很高的生物相容性，同时为神经提供结构支持，从而促进细胞粘附和迁移（Schmidt＆Leach 2003）。非自体组织，无细胞移植物和基于细胞外基质的材料都是选择，也可以为神经再生提供理想的支架。一些来自同种异体或异种组织，必须与免疫抑制剂结合。其他则包括小肠粘膜下层和羊膜移植物（Schmidt＆Leach 2003）。合成材料是有吸引力的选择，因为通常可以控制其物理和化学性质。生物相容性仍然是合成材料面临的挑战（Schmidt＆Leach 2003）。基于甲基纤维素的构建体已被证明是达到此目的的生物相容性选择（Tate等人，2001）。 AxoGen使用细胞移植技术AVANCE模仿人的神经。研究表明，在87％的周围神经损伤患者中，它可以实现有意义的康复。[6]

神经引导通道
神经引导通道，神经引导导管是针对较大缺陷的创新策略，这些缺陷可为发芽的轴突提供导管，引导其生长并减少疤痕组织的生长抑制。神经引导通道必须容易地形成具有所需尺寸，可消毒，抗撕裂，易于处理和缝合的导管（Schmidt＆Leach 2003）。理想情况下，它们会随着时间的推移而随着神经再生而降解，柔韧，半透性，保持其形状并具有光滑的内壁以模仿真实神经的内壁（Schmidt＆Leach 2003）。

生物分子疗法
需要高度受控的输送系统来促进神经再生。神经营养因子可以影响发育，存活，生长和分支。神经营养蛋白包括神经生长因子（NGF），脑源性神经营养因子（BDNF），神经营养蛋白3（NT-3）和神经营养蛋白4/5（NT-4 / 5）。其他因素包括睫状神经营养因子（CNTF），神经胶质细胞系衍生生长因子（GDNF）以及能促进一系列神经反应的酸性和碱性成纤维细胞生长因子（aFGF，bFGF）（Schmidt＆Leach 2003）。证明支持TBI后大鼠的神经再生（Tate等，2002）。其他疗法正在通过上调再生相关基因（RAG），神经元细胞骨架成分和抗凋亡因子来研究神经再生。 RAG包括GAP-43和Cap-23，粘附分子，例如L1家族，NCAM和N-钙黏着蛋白（Schmidt＆Leach 2003）。由于神经胶质结疤，在中枢神经系统中也有可能阻断抑制性生物分子。目前正在研究的一些方法是用软骨素酶ABC和阻断NgR，ADP-核糖治疗（Schmidt＆Leach 2003）。

投放技巧
递送装置必须是生物相容的并且在体内稳定。一些示例包括渗透泵，有机硅储液罐，聚合物基质和微球。还已经研究了基因治疗技术，以提供生长因子的长期产生，并且可以与病毒或非病毒载体（如脂质体）一起提供。细胞也是ECM成分，神经营养因子和细胞粘附分子的有效传递载体。嗅鞘细胞（OEC）和干细胞以及转基因细胞已被用作支持神经再生的移植物（LaPlaca等，2005； Schmidt＆Leach 2003，Tate等，2002）。

先进疗法
高级疗法结合了复杂的引导通道和多种刺激，这些刺激集中在模仿神经结构的内部结构上，神经结构包含纵向排列的纤维或通道的内部矩阵。这些结构的制造可以使用多种技术：磁性聚合物纤维排列，注射成型，相分离，固体自由形式制造和喷墨聚合物印刷（Schmidt＆Leach 2003）。

神经增强
增强人的神经系统或使用工程技术进行人的增强是神经工程的另一种可能的应用。正如目前正在使用这种疗法治疗神经系统疾病的病人所指出的那样，深部脑刺激已被证明可以增强记忆回忆。假设大脑刺激技术能够根据个人要求雕刻情绪和个性，并增强动力，减少抑制等。随着这些研究的发展，这种人类扩增的伦理问题是神经工程师必须应对的一系列新问题。[2]

另见
Brain-computer interface
Brain-reading
Cybernetics
Cyberware
神经义肢技术
Neurosecurity
Sensory substitution
Simulated reality
Prosthetic Neuronal Memory Silicon Chips
参考
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