피질 삽입물

Cortical implant

피질 임플란 뇌의 대뇌피질과 직접 관련 있는 신경동토학의 일부분이다.피질 삽입물은 피질의 다른 영역과 직접 연결함으로써 즉각적인 영역에 자극을 줄 수 있으며, 그 디자인과 배치에 따라 다른 이점을 제공할 수 있다.대표적인 피질 임플란트는 이식 가능한 마이크로 전극 배열로, 신경 신호를 수신하거나 전송할 수 있는 작은 장치다.

일반적으로 피질 임플란트와 신경성 동토류의 목표는 "더 이상 적절하게 기능하지 않는 뇌의 신경회로를 대체하는 것"[1]이다.

개요

피질 임플란트는 시력 회복부터 시각장애 환자, 치매 환자를 돕는 등 다양한 잠재적 용도를 갖고 있다.뇌의 복잡성과 함께, 이러한 뇌 이식수술이 유용성을 확장할 가능성은 거의 없다.피질 이식 수술의 초기 작업에는 실리콘 고무로 만든 임플란트를 사용한 시각 피질의 자극이 수반되었다.[2]이후 임플란트는 폴리이미드와 같은 새로운 폴리머를 사용하여 더욱 복잡한 장치로 발전했다.피질 임플란트가 뇌와 접촉할 수 있는 방법은 두 가지가 있는데, 이는 뇌내(직접)나 미식(직접)이다.[3]체내 임플란트에는 뇌로 침투하는 전극이 있고, 후각 임플란트는 표면을 따라 자극하는 전극이 있다.서사시적 임플란트는 주로 주변의 현장 잠재력을 기록하며 일반적으로 내부 임플란트에 비해 유연성이 높다.체내 삽입물이 뇌 깊숙이 들어가기 때문에 더 단단한 전극이 필요하다.[2]그러나 뇌의 미세운동으로 인해 뇌조직의 손상을 예방하기 위해서는 약간의 유연성이 필요하다.

시각적 이식

특정 유형의 피질 임플란트는 시각 피질을 직접 자극하여 시력을 부분적으로 회복시킬 수 있다.[4]피질 자극을 통한 시력 회복을 위한 초기 작업은 1970년 브린들리와 도벨레의 작업으로 시작됐다.초기 실험으로, 몇몇 환자들은 꽤 가까운 거리에서 작은 영상을 인식할 수 있었다.그들의 초기 임플란트는 시각 피질의 표면을 기반으로 했고 그것은 주변 조직에 손상이라는 단점이 추가되면서 가능한 한 명확한 이미지를 제공하지 못했다."Utah" 전극 어레이와 같은 보다 최신 모델은 더 깊은 피질 자극을 사용하며, 이는 낮은 전력으로 고해상도 이미지를 제공하므로 손상을 덜 유발할 수 있다.다른 시각적 보철술에 비해 이러한 인공 시력의 주요한 이점 중 하나는 그것이 손상될 수 있는 시각적 경로의 많은 뉴런을 우회하여 잠재적으로 더 많은 시각장애 환자들에게 시력을 회복시킨다는 것이다.[4]

그러나 시각피질의 직접적인 자극과 함께 오는 문제도 있다.모든 임플란트와 마찬가지로 장기간에 걸친 임플란트 존재의 영향을 모니터링해야 한다.몇 년 후 임플란트를 제거하거나 위치를 다시 잡아야 할 경우 합병증이 발생할 수 있다.시각피질은 망막이나 시신경처럼 인공시력이 가능한 다른 부위보다 훨씬 복잡하고 다루기 어렵다.시각장은 시각 피질 이외의 다른 위치에서 처리하는 것이 훨씬 쉽다.또 피질의 각 부위는 시력의 다른 측면을 다루도록 특화돼 있어 간단한 직접 자극으로는 환자에게 완전한 이미지를 제공하지는 못할 것이다.마지막으로 뇌임플란트를 다루는 외과수술은 환자들에게 매우 위험성이 높기 때문에 연구를 더욱 개선할 필요가 있다.그러나 피질 시각 보형물은 완전히 손상된 망막, 시신경 또는 측면 유전체를 가진 사람들에게 중요하다. 왜냐하면 그들은 시력을 회복할 수 있는 유일한 방법 중 하나이기 때문에 추가적인 발전이 필요할 것이다.[4]

청각 이식

청각피질과 직접 접촉하는 효과적인 청각보형물 개발에는 별 진전이 없지만 청각뇌관 삽입물, 달팽이관 이식 등 청각장애 환자에 대한 청력 회복에 성공한 장치도 있다.동물의 청각 피질에서 판독을 하기 위해 마이크로 전극 배열을 사용했다는 연구도 있었다.쥐를 대상으로 청각 피질과 시상하부에서 동시에 판독할 수 있는 임플란트를 개발했다.이 새로운 마이크로 전극 어레이의 판독치는 동일한 동시 판독값을 제공하지 않는 다른 쉽게 구할 수 있는 장치와 선명도가 유사했다.[5]이와 같은 연구로 새로운 청각 보형물로 이어질 수 있는 발전이 이루어질 수 있다.

인지 임플란트

일부 피질 임플란트는 인지 기능을 향상시키기 위해 고안되었다.이 임플란트는 전두엽 피질이나 해마에 위치한다.전두엽 피질의 임플란트는 신경 발사의 미니콜럼나 조직을 복제하여 주의력, 의사 결정, 운동 선택 회복에 도움을 준다.[6]해마는 환자의 장기 기억력을 완전히 회복하는 것을 돕는 것을 목표로 한다.연구원들은 뇌가 해마 속에서 어떻게 다른 기억들을 암호화하는지 알아냄으로써 기억의 신경적 기초를 알아내려고 노력하고 있다.

환자는 마우스 포인터를 움직이는 것에 대해 생각한다.뇌-컴퓨터 인터페이스는 그 생각을 받아들여 화면에서 번역한다.

연구자들은 전기자극으로 뇌의 자연 코딩을 흉내냄으로써 손상된 해마 부위를 대체하고 기능을 회복시킬 수 있는 방법을 모색한다.[7]뇌졸중, 알츠하이머병, 머리 외상과 같이 인지에 영향을 미치는 몇 가지 조건에 대한 치료는 해마의 보철술의 발달로 이득을 볼 수 있다.간질은 해마의 CA3 부위의 기능장애와도 연관되어 있다.[8]

뇌-컴퓨터 인터페이스

주요 기사: Brain-computer 인터페이스

BCI(Brain-Computer Interface)는 환자의 뇌와 외부 하드웨어를 직접 연결할 수 있는 임플란트의 일종이다.1990년대 중반 이후, 동물 모델과 인간 모델 모두에서 BCI에 대한 연구의 양은 기하급수적으로 증가했다.대부분의 뇌-컴퓨터 인터페이스는 어떤 형태의 신경 신호 추출에 사용되는 반면, 어떤 것들은 이식된 신호를 통해 감각을 되돌리려고 시도한다.[3]신호 추출의 예로서, BCI는 하반신 마비 환자의 뇌에서 신호를 받아 로봇 보철물을 움직이는 데 사용할 수 있다.마비된 환자들은 환자에게 통제력을 되찾을 수 있기 때문에 이러한 장치들로부터 많은 양의 효용을 얻는다.뇌-컴퓨터 인터페이스에 대한 현재의 연구는 개인이 뇌의 어떤 영역을 조작할 수 있는지를 결정하는 데 초점을 맞추고 있다.대다수의 연구는 상상된 운동 동작을 사용하여 장치를 구동시키는 뇌의 센서리모터 영역에 초점을 맞추고 있으며, 일부 연구에서는 인지 제어 네트워크가 이식하기에 적합한 위치인지 여부를 확인하려고 노력했다.이 지역은 "명백한 의도나 과제의 서비스에서 정신적 과정을 조율하는 신경망"으로, 상상된 동작이 아닌 의도적인 동작으로 기기를 구동한다. 이식된 신호를 통해 감각으로 돌아오는 예로는 의족에 대한 촉각반응을 발전시키는 것이 될 것이다.암페어는 인공 팔다리에 접촉 반응이 없지만, 체외감각 피질에 삽입된 임플란트를 통해 잠재적으로 인공적인 촉각을 갖게 될 수 있다.

뇌-컴퓨터 인터페이스의 현재 예는 사이버키네틱스에 의해 개발된 장치인 브레인게이트가 될 것이다.본 BCI는 2009년 5월 현재 2차 임상시험을 진행하고 있다.앞서 시행된 임상시험에서는 심각한 척수손상을 입은 환자가 사지를 전혀 통제하지 못하는 경우가 있었다.그는 생각만으로 컴퓨터 마우스를 조작하는 데 성공했다.로봇 팔을 제어하는 것과 같이 좀 더 복잡한 인터페이스를 허용하는 추가 개발이 이루어졌다.

이점

아마도 피질 임플란트가 다른 신경성 동위원소보다 가지고 있는 가장 큰 장점 중 하나는 피질과의 직접 인터페이스가 되는 것일 것이다.시각 경로에서 손상된 조직을 우회하면 치료 가능한 환자의 범위가 넓어진다.이 임플란트들은 또한 피질의 손상 조직을 대체하는 역할을 할 수 있다.생체모방법의 아이디어는 임플란트가 신호의 대체 통로 역할을 할 수 있도록 한다.

단점들

피질에 직접 연결되는 임플란트 종류는 몇 가지 문제가 있다.피질 임플란트의 주요 문제는 생체적합성, 즉 신체가 이물질에 어떻게 반응하는가에 관한 것이다.신체가 임플란트를 거부하면, 임플란트는 유익성보다는 오히려 환자에게 더 손상을 줄 것이다.생체적합성 외에도 일단 임플란트가 제자리에 놓이면 인체가 장기간에 걸쳐 역반응을 일으켜 임플란트를 무용지물로 만들 수 있다.[10]마이크로 전극 배열을 이식하면 주변 조직이 손상될 수 있다.전극 주위의 흉터 조직이 발달하면 삽입물이 의도하는 뉴런에 일부 신호가 도달하는 것을 막을 수 있다.대부분의 마이크로 전자 배열은 최상의 기능을 제공하기 위해 뉴런 세포체가 전극으로부터 50μm 이내에 있어야 하며, 만성적으로 이식된 동물이 이 범위 내에서 세포 밀도를 현저히 감소시켰다는 연구결과가 있다.[10]임플란트는 임플란트 현장에서도 신경분열을 일으키는 것으로 나타났다.

신경 코딩은 피질성 임플란트, 특히 인지를 다루는 임플란트가 직면한 어려움을 나타낸다.연구원들은 뇌가 어떻게 구별되는 기억들을 코드화하는지를 결정하는 데 어려움을 발견했다.예를 들어, 뇌가 의자의 기억을 암호화하는 방식은 램프를 암호화하는 방식과 크게 다르다.신경 코드에 대한 충분한 이해로, 기억을 더욱 효과적으로 향상시킬 수 있는 해마 보형물 개발에 더 많은 진전이 있을 수 있다.

모든 환자의 피질이 고유하기 때문에 직접 삽입과 관련된 시술은 표준화하기 어렵다.[4]뇌 사이에는 많은 공통의 신체적 특징이 있지만, 각각의 회나 설커스(신경절제술)는 비교했을 때 다를 수 있다.이는 각 절차가 고유하게 되어 수행에 시간이 더 오래 걸리기 때문에 어려움을 초래한다.또한, 개별 피질 고유성(즉, 차이)과 관련하여 명시된 분산으로 인해 마이크로 전자파 배열의 의도된 효과는 제한적이다.오늘날 마이크로 전자 배열은 또한 물리적 크기와 달성 가능한 데이터 처리/능력 비율 때문에 제약을 받고 있으며, 이는 무어의 법칙에 따라 지시된 특성과 관련하여 계속 관리된다.

미래 발전

더 많은 연구가 수행됨에 따라, 피질 임플란트의 생존성과 사용성을 높일 수 있는 추가 개발이 이루어질 것이다.임플란트 크기를 줄이면 시술이 덜 복잡해지고 부피가 줄어드는 데 도움이 될 것이다.이러한 장치의 수명 또한 개발이 이루어짐에 따라 고려되고 있다.새로운 임플란트 개발의 목표는 "인체의 가혹한 환경으로 인한 가수분해, 산화, 효소 저하를 피하거나 적어도 인터페이스가 장기간에 걸쳐 작동할 수 있는 최소로 속도를 늦추는 것"[2]이다.운영 수명을 연장하면 유지보수를 위해 더 적은 수의 작업을 수행해야 할 것이며, 이를 위해 현재 신경 임플란트에 사용할 수 있는 폴리머의 양이 증가하여 장치의 다양성을 더 높일 수 있게 되었다.기술이 발전함에 따라 연구자들은 전극을 배열로 더 촘촘하게 배치할 수 있게 되어 높은 선택성이 허용된다.[2]다른 조사 영역은 이러한 장치에 전원을 공급하는 배터리 팩이다.이러한 팩의 전체적인 크기와 부피를 줄여 환자에게 방해가 되지 않도록 하기 위한 노력이 이루어졌다.각 임플란트가 필요로 하는 전력량을 줄이는 것도 관심사인데, 이는 임플란트가 만드는 열의 양을 줄여주므로 주변 조직의 손상 위험을 줄일 수 있기 때문이다.

참조

  1. ^ Berger, T. W.; Hampson, R. E.; Song, D.; Goonawardena, A.; Marmarelis, V. Z.; Deadwyler, S. A. (2011). "A cortical neural prosthesis for restoring and enhancing memory". Journal of Neural Engineering. 8 (4): 046017. Bibcode:2011JNEng...8d6017B. doi:10.1088/1741-2560/8/4/046017. PMC 3141091. PMID 21677369.
  2. ^ a b c d Hassler, C.; Boretius, T.; Stieglitz, T. (2011). "Polymers for Neural Implants". Journal of Polymer Science Part B: Polymer Physics. 49 (1): 18–33. Bibcode:2011JPoSB..49...18H. doi:10.1002/polb.22169.
  3. ^ a b Konrad, P.; Shanks, T. (2010). "Implantable brain computer interface: Challenges to neurotechnology translation". Neurobiology of Disease. 38 (3): 369–375. doi:10.1016/j.nbd.2009.12.007. PMID 20035870. S2CID 39225419.
  4. ^ a b c d Fernandes, R. A. B.; Diniz, B.; Ribeiro, R.; Humayun, M. (2012). "Artificial vision through neuronal stimulation". Neuroscience Letters. 519 (2): 122–128. doi:10.1016/j.neulet.2012.01.063. PMID 22342306. S2CID 25306195.
  5. ^ McCarthy, P. T.; Rao, M. P.; Otto, K. J. (2011). "Simultaneous recording of rat auditory cortex and thalamus via a titanium-based, microfabricated, microelectrode device". Journal of Neural Engineering. 8 (4): 046007. Bibcode:2011JNEng...8d6007M. doi:10.1088/1741-2560/8/4/046007. PMC 3158991. PMID 21628772.
  6. ^ Hampson, R. E.; Gerhardt, G. A.; Marmarelis, V.; Song, D.; Opris, I.; Santos, L.; Deadwyler, S. A. (2012). "Facilitation and restoration of cognitive function in primate prefrontal cortex by a neuroprosthesis that utilizes minicolumn-specific neural firing". Journal of Neural Engineering. 9 (5): 056012. Bibcode:2012JNEng...9e6012H. doi:10.1088/1741-2560/9/5/056012. PMC 3505670. PMID 22976769.
  7. ^ Hampson, R. E.; Song, D.; Chan, R. H. M.; Sweatt, A. J.; Riley, M. R.; Gerhardt, G. A.; Deadwyler, S. A. (2012). "A Nonlinear Model for Hippocampal Cognitive Prosthesis: Memory Facilitation by Hippocampal Ensemble Stimulation". IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering. 20 (2): 184–197. doi:10.1109/tnsre.2012.2189163. PMC 3397311. PMID 22438334.
  8. ^ Berger, T. W.; Ahuja, A.; Courellis, S. H.; Deadwyler, S. A.; Erinjippurath, G.; Gerhardt, G. A.; Wills, J. (2005). "Restoring lost cognitive function". IEEE Engineering in Medicine and Biology Magazine. 24 (5): 30–44. doi:10.1109/memb.2005.1511498. PMID 16248115. S2CID 21757473.
  9. ^ Vansteensel, M. J.; Hermes, D.; Aarnoutse, E. J.; Bleichner, M. G.; Schalk, G.; van Rijen, P. C.; Ramsey, N. F. (2010). "Brain-Computer Interfacing Based on Cognitive Control". Annals of Neurology. 67 (6): 809–816. doi:10.1002/ana.21985. PMID 20517943. S2CID 16937026.
  10. ^ a b Potter, K. A.; Buck, A. C.; Self, W. K.; Capadona, J. R. (2012). "Stab injury and device implantation within the brain results in inversely multiphasic neuroinflammatory and neurodegenerative responses". Journal of Neural Engineering. 9 (4): 046020. Bibcode:2012JNEng...9d6020P. doi:10.1088/1741-2560/9/4/046020. PMID 22832283.