神经义肢技术

神经义肢技术（又称神经修复术）是一门与神经科学和生物医学工程有关的学科，涉及发展神经修复术。有时将它们与脑机接口形成对比，该接口将大脑连接到计算机，而不是用于代替丢失的生物学功能的设备。[1]

神经假体是一系列设备，可以替代可能因受伤或疾病而受损的运动，感觉或认知方式。耳蜗植入物提供了此类设备的示例。这些设备替代了耳膜和镫骨所执行的功能，同时模拟了在耳蜗中执行的频率分析。外部设备上的麦克风会收集声音并进行处理；然后，经过处理的信号被传输到植入单元，该植入单元通过微电极阵列刺激听觉神经。通过替换或增强受损感官，这些设备旨在改善残疾人的生活质量。

这些可植入设备也通常在动物实验中用作帮助神经科学家发展对大脑及其功能的更深入了解的工具。通过无线监测植入在受试者大脑中的电极发出的大脑电信号，可以在不影响结果的情况下研究受试者。

准确探测和记录大脑中的电信号将有助于更好地了解负责特定功能的局部神经元群体之间的关系。

神经植入物被设计得尽可能小，以实现微创，尤其是在大脑，眼睛或耳蜗周围的区域。这些植入物通常与假肢进行无线通信。另外，当前通过通过皮肤的无线电力传输来接收电力。植入物周围的组织通常对温度升高高度敏感，这意味着功耗必须最小以防止组织损伤。[2]

目前，使用最广泛的神经假体是耳蜗植入物，截至2012年，全球使用量超过30万。[3]



内容
1 历史
1.1 视觉修复
1.2 听觉假肢
1.3 缓解疼痛的假肢
2 运动假肢
2.1 膀胱控制植入物
2.2 运动假肢可有意识地控制运动
2.3 截肢技术
3 障碍
3.1 数字建模
3.2 尺寸
3.3 功耗
3.4 生物相容性
3.5 数据传输
3.6 正确植入
4 技术
4.1 局部场电位
4.2 自动化可移动电探针
4.3 成像引导手术技术
5 参考

历史
第一个已知的耳蜗植入物创建于1957年。其他里程碑式的事包括：1961年，第一个用于偏瘫的足部运动假肢； 1977年，第一个听觉脑干植入物； 1981年，成年大鼠的脊髓植入了周围神经桥。 1988年，腰椎前根植入物和功能性电刺激（FES）分别为一组截瘫患者提供了站立和行走的机会。[4]

关于植入大脑的电极的发展，早期的困难是可靠地定位电极，最初是通过用针插入电极并在所需深度折断针来完成的。最近的系统利用更先进的探针，例如用于深部脑刺激的探针，以减轻帕金森氏病的症状。两种方法的问题在于，大脑在颅骨中自由漂浮，而探针却没有，并且相对较小的影响（例如低速车祸）可能会造成破坏。一些研究人员，例如密歇根大学的Kensall Wise，提出了将“电极安装在大脑外表面上”拴在颅骨内表面上的建议。但是，即使成功，系留也无法解决要插入大脑深处的设备中的问题，例如在深部脑刺激（DBS）的情况下。

视觉修复
主要文章：视觉假肢
视觉假体可以通过电刺激视觉系统中的神经元来产生图像感。照相机将无线传输到植入物，植入物将在电极阵列上映射图像。电极阵列必须有效地刺激600-1000个位置，从而刺激视网膜中的这些视神经元，从而产生图像。刺激也可以沿着光信号路径的任何地方进行。尽管临床测试已证明对视网膜植入物最为成功，但可以刺激视神经以创建图像，也可以刺激视皮层。

视觉假体系统由一个外部（或可植入）成像系统组成，该系统可获取并处理视频。电源和数据将通过外部单元无线传输到植入物。植入物使用接收到的功率/数据将数字数据转换为模拟输出，然后将其通过微电极传递到神经。

感光器是将光子转换成电信号的特殊神经元。它们是视网膜的一部分，是多层神经结构，厚度约200 um，位于眼后。处理后的信号通过视神经发送到大脑。如果该途径的任何部分受损，则可能发生失明。

失明可能是由于光路（角膜，房水，晶状体和玻璃体）受损所致。这可能是由于事故或疾病引起的。导致继发于光感受器丧失的失明的两种最常见的视网膜变性疾病是年龄相关性黄斑变性（AMD）和色素性视网膜炎（RP）。

永久植入式视网膜假体的第一项临床试验是一种带有3500个无源微光电二极管阵列的设备。[5]该试验于2000年在Optobionics，Inc.实施。2002年，Second Sight Medical Products，Inc.（加利福尼亚州西尔马）开始使用包含16个电极的原型视网膜前植入物进行试验。受试者为六个人，其具有继发于RP的裸露光感知。受试者表现出以统计学上高于偶然性的水平区分三个常见物体（盘子，杯子和小刀）的能力。由视网膜植入物GMbH（德国罗伊特林根）开发的有源视网膜下装置于2006年开始临床试验。将具有1500个微光电二极管的IC植入视网膜下。微型光电二极管可根据入射在光电二极管上的光量来调制电流脉冲。[6]

通过使用大表面电极的网格进行皮层刺激，完成了对视觉假体发展的开创性实验工作。 1968年，吉尔斯·布林德利（Giles Brindley）在一名52岁盲人女性的视觉皮层表面植入了80电极装置。刺激的结果是，患者能够在视野的40个不同位置看到。[7]该实验表明，植入的电刺激器可以恢复一定程度的视力。视觉皮层假体的最新研究已经评估了视觉皮层刺激在非人类灵长类动物中的功效。在该实验中，经过训练和制图后，猴子能够在光和电刺激下执行相同的视觉扫视任务。
对高分辨率视网膜假体的要求应遵循盲人的需求和意愿，盲人将从该设备中受益。与这些病人的相互作用表明，没有拐杖，面部识别和阅读的机动性是主要的必要能力。[8]

功能完备的视觉假体的结果和意义令人兴奋。但是，挑战是严峻的。为了将高质量的图像映射到视网膜中，需要大量的微型电极阵列。同样，图像质量取决于可以通过无线链路发送多少信息。同样，大量的信息必须由植入物接收和处理，而没有太多的功率消耗，这会损坏组织。植入物的尺寸也非常令人关注。任何植入物最好都是微创的。[8]

借助这项新技术，包括Drexel的Karen Moxon，SUNY的John Chapin以及杜克大学的Miguel Nicolelis在内的数名科学家开始研究复杂的视觉假体的设计。其他科学家不同意他们的研究重点，他们认为人口密集的微观金属丝的基础研究和设计还不够完善，无法继续进行。

听觉假肢
主要文章：耳蜗植入物和听觉脑干植入物
（用于接收声音）
耳蜗植入物（CIs），听觉脑干植入物（ABI）和听觉中脑植入物（AMIs）是听觉假体的三个主要类别。 CI电极阵列植入耳蜗中，ABI电极阵列刺激下脑干的耳蜗核复合体，而AMIs刺激下丘的听觉神经元。耳蜗植入物在这三个类别中都非常成功。如今，高级仿生学公司，耳蜗公司和Med-El公司是耳蜗植入物的主要商业提供商。

与传统的助听器将声音放大并通过外耳发送相比，耳蜗植入物可获取和处理声音并将其转换为电能，然后传递到听觉神经。 CI系统的麦克风从外部环境接收声音并将其发送到处理器。处理器将声音数字化并将其过滤到单独的频带中，该频带被发送到大约与那些频率相对应的耳蜗中适当的音调区域。

1957年，法国研究人员A. Djourno和C. Eyries在D. Kayser的帮助下，首次对直接刺激人类受试者的听神经进行了详细描述。[9]个人描述了在模拟过程中听到chi声。 1972年，在House Ear Clinic植入了成人中的第一个便携式耳蜗植入系统。美国食品药品监督管理局（FDA）于1984年11月正式批准了House-3M耳蜗植入物的销售。[10]

耳蜗植入物的性能改善不仅取决于了解植入物刺激的物理和生物物理局限性，还取决于对大脑模式处理要求的理解。现代信号处理代表了最重要的语音信息，同时还为大脑提供了所需的模式识别信息。在识别语音中的重要特征时，大脑中的模式识别比算法预处理更有效。工程，信号处理，生物物理学和认知神经科学相结合是产生正确的技术平衡以最大化听觉假体性能的必要条件。[11]

耳蜗植入物还被用于允许先天性聋儿童获得口语发展，并在早期植入方面取得了显著成功（在达到2至4岁的生命之前）。[12]全球大约有80,000名儿童被植入。

1999年，德国法兰克福大学的C. von Ilberg和J. Kiefer首先描述了同时电声刺激（EAS）结合以更好听的概念。[13]同年，第一例EAS患者被植入。自2000年代初以来，FDA就参与了耳蜗公司称为“ Hybrid”的设备的临床试验。这项试验旨在检查耳蜗植入在残余低频听力患者中的有用性。与标准的耳蜗植入物相比，“混合”电极使用的电极更短，因为电极较短，因此刺激了耳蜗的罗勒区域，从而刺激了高频Tonotopic区域。从理论上讲，这些设备将使患有大量低频残留听力的患者受益，这些患者在语音频率范围内失去知觉，从而降低了歧视评分。[14]

有关产生声音的信息，请参见语音合成。

假肢缓解疼痛
主条目：脊髓刺激器
SCS（脊髓刺激器）设备具有两个主要组件：电极和发生器。 SCS用于神经性疼痛的技术目标是通过刺激引起的刺痛来掩盖患者的疼痛区域，这被称为“感觉异常”，因为这种重叠对于缓解疼痛是必要的（但不足以）。[15]感觉异常的覆盖范围取决于刺激的传入神经。背脊中线电极最容易招募，靠近脊髓的脊髓表面，是大的背柱传入神经，其产生广泛的感觉异常，覆盖尾段。

在远古时代，转基因鱼被用作减轻疼痛的触手。治疗师已经开发出具体而详细的技术来利用鱼的生殖品质来治疗各种类型的疼痛，包括头痛。由于使用活动电击发生器的笨拙，需要一定水平的技能才能在适当的时间内将治疗药交付目标。 （包括使鱼尽可能长寿）电止痛是第一种故意使用的电。到19世纪，大多数西方医生都提供了由便携式发电机提供的病人电疗。[16]然而，在1960年代中期，三件事融合在一起，以确保电刺激的未来。

起步于1950年的Pacemaker技术开始可用。
Melzack和Wall发表了他们的疼痛门控理论，该理论提出可以通过刺激大传入纤维来阻止疼痛的传播。[17]
开拓医生开始对刺激神经系统以减轻患者的疼痛产生兴趣。
电极的设计选项包括其尺寸，形状，布置，数量，触点分配以及电极植入方式。脉冲发生器的设计选项包括电源，目标解剖位置，电流或电压源，脉冲率，脉冲宽度以及独立通道数。编程选项非常多（四触点电极提供50种功能性双极组合）。当前的设备使用计算机化的设备来找到最佳的使用选项。此重新编程选项可补偿姿势变化，电极迁移，疼痛位置变化和电极放置不理想。[18]

运动假肢
支持自主神经系统功能的装置包括用于膀胱控制的植入物。在躯体神经系统中，试图有意识地控制运动的尝试包括功能性电刺激和腰椎前根刺激器。

膀胱控制植入物
主要文章：S前根刺激器
如果脊髓病变导致截瘫，病人很难排空膀胱，这可能导致感染。从1969年起，布林德利开发了骶神经前根电刺激器，并从1980年代初开始进行了成功的人体试验。[19]该装置被植入到脊髓的前根神经节上。由外部变送器控制，它可提供间歇性刺激，从而改善膀胱排空。它还有助于排便，并使男性病人能够持续完全勃起。

骶神经刺激的相关程序是用于控制健全患者的失禁。[20]

运动假肢可有意识地控制运动
主要文章：脑机接口
研究人员目前正在研究和制造运动神经义肢技术，这将有助于恢复运动能力以及与运动障碍者（如四肢瘫痪或肌萎缩性侧索硬化症）与外界沟通的能力。研究发现纹状体在运动感觉学习中起着至关重要的作用。一项实验证明了这一点，在该实验中，连续执行任务后，以较高的速率记录了实验大鼠的纹状体发射速率。

为了捕获来自大脑的电信号，科学家开发了小于平方厘米的微电极阵列，可以将其植入颅骨中以记录电活动，并通过细电缆转换记录的信息。经过数十年的猴子研究，神经科学家已经能够将神经元信号解码为运动。完成转移后，研究人员建立了允许患者移动计算机光标的界面，并且他们开始构建机器人的肢体和外骨骼，患者可以通过思考运动来控制它们。

运动神经假体背后的技术仍处于起步阶段。研究人员和研究参与者继续尝试使用假体的不同方法。例如，让患者考虑握紧拳头会产生与让他或她考虑敲击手指产生不同的结果。假体中使用的过滤器也正在微调，并且在将来，医生希望制造一种能够通过无线方式而不是通过电缆从颅骨内部传输信号的植入物。

在取得这些进步之前，菲利普·肯尼迪（Emory and Georgia Tech）拥有一个可操作的系统，即使它有点原始，该系统也使麻痹的人通过调节大脑活动来拼写单词。肯尼迪的装置使用了两个神经营养电极：第一个电极植入了完整的运动皮层区域（例如手指再造区域），并用于在一组字母之间移动光标。第二个被植入不同的运动区域，并用于指示选择。[21]

通过使用通常与胸大肌相连的神经，用控制论替代来代替失去的手臂的事态继续发展。这些手臂的活动范围略有限制，据报道将配备用于检测压力和温度的传感器。[22]

芝加哥西北大学和康复学院的Todd Kuiken博士开发了一种称为“目标神经再生”的方法，用于截肢者控制机动修复设备并恢复感觉反馈。

2002年，由100个电极组成的多电极阵列（现已构成Braingate的传感器部分）被直接植入科学家Kevin Warwick的正中神经纤维中。记录的信号用于控制由沃里克同事彼得·凯伯德（Peter Kyberd）开发的机器人手臂，并能够模仿沃里克自己的手臂的动作。[23]另外，通过将小电流传递到神经中，通过植入物提供了一种形式的感觉反馈。这引起了手的第一腰肌收缩，而这种运动被察觉到。[23]

2014年6月，截瘫运操作朱利安诺·平托（Juliano Pinto）使用带有大脑接口的动力外骨骼在2014年FIFA世界杯上进行了仪式性的第一踢。[24]外骨骼是由巴西政府资助的Miguel Nicolelis实验室的Walk Again项目开发的。[24] Nicolelis说，来自平衡肢体的反馈（例如，关于假脚接触地面的压力的信息）对于保持平衡非常必要。[25]他发现，只要人们能在发出命令的同时看到受大脑接口控制的肢体运动，反复使用大脑就会吸收外部供电的肢体，并开始感知它（就位置感知和反馈而言）作为身体的一部分。[25]

截肢技术
麻省理工学院生物机电一体化小组设计了一种新颖的截肢范例，使生物肌肉和肌电假体能够以高可靠性在神经系统中交互作用。这种被称为激动剂-拮抗剂的肌神经接口（AMI）的手术范例为用户提供了感知和控制其假肢作为其自身身体延伸的能力，而不是使用仅类似于肢体的假肢。在正常的激动剂-拮抗剂肌肉对关系（例如，二头肌-三头肌）中，当激动剂肌肉收缩时，拮抗肌被拉伸，反之亦然，从而使一个人无需四肢即可知道其肢体的位置。在标准截肢过程中，激动剂-拮抗剂肌肉（例如，二头肌-三头肌）彼此隔离，从而阻止了具有产生感觉反馈的动态收缩机制的能力。因此，当前的截肢者无法感觉到假肢遇到的物理环境。而且，随着目前已经进行了200多年的截肢手术，1/3的病人由于其残端疼痛而接受了修复手术。

AMI由最初共享激动剂-拮抗剂关系的两条肌肉组成。在截肢手术期间，这两根肌肉在截肢的残端内机械连接在一起。[26]可以为患者中的每个关节自由度创建一个AMI肌肉对，以建立对多个假肢关节的控制和感觉。在对该新神经接口的初步测试中，具有AMI的患者已证明并报告了对假体的更大控制。此外，与传统截肢患者相比，在步行过程中观察到了更自然的反身行为。[27] AMI也可以通过两个脱血管的肌肉移植物的组合来构建。这些肌肉移植物（或皮瓣）是多余的肌肉，其被去神经（与原始神经分离）并从身体的一部分移出，被要截肢的四肢中被切断的神经重新神经化。[26]通过使用再生的肌肉瓣，可以为患有严重萎缩或肌肉损伤的肌肉组织的患者或因神经瘤疼痛，骨刺等原因而进行肢体截肢修复的患者创建AMI。

障碍物
数字建模
准确表征要替换的正常功能组织的非线性输入/输出（I / O）参数对于设计模仿正常生物突触信号的假体至关重要。[28] [29]这些信号的数学建模是一项复杂的任务，“由于包含神经元及其突触连接的细胞/分子机制固有的非线性动力学”。[30] [31] [32]几乎所有脑神经元的输出都取决于哪些突触后输入处于活动状态以及输入的接收顺序。 （分别为空间和时间特性）。[33]

一旦对I / O参数进行数学建模，就可以设计集成电路来模仿正常的生物信号。为了使假肢像正常组织一样工作，它必须以与正常组织相同的方式处理输入信号，这一过程称为转换。

尺寸
可植入设备必须很小，才能直接植入大脑，大约只有四分之一大小。可微植入电极阵列的一个例子是犹他州阵列。[34]

无线控制设备可以安装在头骨外部，并且应小于寻呼机。

能量消耗
功耗决定电池尺寸。植入电路的优化减少了功率需求。植入的设备目前需要车载电源。电池用完后，需要进行手术以更换单元。电池寿命越长，更换电池所需的手术就越少。电动牙刷中可使用一种无需手术或电线即可对植入电池充电的选项。这些设备利用感应耦合为电池充电。如在射频识别标签中一样，另一种策略是将电磁能转换为电能。

生物相容性
认知假体直接植入大脑，因此生物相容性是克服的重要障碍。为了长期植入，必须选择设备外壳中使用的材料，电极材料（例如氧化铱[35]）和电极脑岛。符合标准：ISO 14708-3 2008-11-15，外科手术植入物-有源植入式医疗设备第3部分：植入式神经刺激器。

越过血脑屏障会引入可能引起免疫反应的病原体或其他物质。大脑具有自己的免疫系统，其作用与身体其他部位的免疫系统不同。

要回答的问题：这如何影响材料的选择？大脑是否具有独特的噬菌体，它们具有不同的作用，并可能影响被认为在身体其他部位具有生物相容性的物质？

资料传输
正在开发无线传输以允许连续记录个人日常生活中的神经元信号。这使医生和临床医生可以捕获更多数据，从而确保可以记录癫痫发作等短期事件，从而更好地治疗和表征神经疾病。

斯坦福大学已经开发出一种小型轻巧的设备，可以连续记录灵长类动物脑神经元。[36]该技术还使神经科学家能够在实验室受控环境之外研究大脑。

数据传输方法必须健壮且安全。神经安全性是一个新问题。认知植入物的制造商必须防止不必要的信息或思想下载以及将有害数据上传到设备，这可能会中断功能。

正确植入
装置的植入存在许多问题。首先，必须将正确的突触前输入连接到设备上正确的突触后输入。其次，设备的输出必须正确地对准所需的组织。第三，大脑必须学习如何使用植入物。各种有关大脑可塑性的研究表明，通过适当动机设计的锻炼可以实现这一目标。

涉及的技术
局部场电位
局部场电位（LFPs）是与一定体积组织内所有树突状突触活性的总和有关的电生理信号。最近的研究表明目标和期望值是可用于神经认知假体的高级认知功能。[37]莱斯大学的科学家还发现了一种新的方法，该方法可以通过对附着颗粒的表面进行微小改动来调整纳米颗粒的光致振动。据该大学称，这一发现可能会导致光子学从分子传感到无线通信的新应用。他们使用超快激光脉冲来诱导金纳米盘中的原子振动。[38]

自动化可移动电探针
要克服的一个障碍是电极的长期植入。如果电极由于物理震动而移动，或者大脑相对于电极位置移动，则电极可能会记录不同的神经。必须调整电极以保持最佳信号。单独调节多电极阵列是非常繁琐且耗时的过程。自动调节电极的开发将减轻该问题。安德森（Anderson）的小组目前正在与Yu-Chong Tai的实验室和Burdick实验室（均在加州理工学院）合作，开发出这样一种系统，该系统使用基于电解的致动器来独立地调节长期植入的电极阵列中的电极。[39]

影像引导手术技术
图像引导手术用于精确定位脑植入物。[37]

另见
Biomedical engineering
Brain-reading
Cyborg
Neural engineering
Neurosecurity
Prosthetics
Simulated reality
Prosthetic Neuronal Memory Silicon Chips
参考
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