신경 자극

Neurostimulation
신경 자극
OPS-301 코드8-631

신경 자극은 침습적(예: 마이크로 전극) 또는 비침습적 수단(예: 경두개 자기 자극 또는 경두개 전기 자극, tES(예: tDCS 또는 경두개 교류 전류 자극, TACS))을 사용하여 신경계 활동을 의도적으로 변조하는 것이다.신경자극은 보통 신경조절에 대한 전자기적 접근을 말한다.

신경 자극 기술은 심각한 마비 또는 다양한 감각 기관에 심각한 손실을 입은 사람들의 삶의 질을 개선할 수 있을 뿐만 아니라, 그렇지 않으면 지속적인 (24시간 내내) 높은 선량인 오피오이드 치료를 필요로 할 수 있는 심각하고 만성적인 고통을 영구적으로 감소시킬 수 있습니다.그것은 보청기, 인공시력, 인공 사지, 그리고 뇌-기계 인터페이스를 위한 신경 보철물의 중요한 역할을 합니다.신경자극의 경우 주로 전기자극을 이용하여 전하균형 바이파형 정전류 파형 또는 용량결합 전하주입법을 채택한다.또는 자기장 또는 경두개전류가 신경자극을 [1][2]일으키는 비침습적 방법으로서 경두개전자기자극과 경두개전자기자극이 제안되었다.

뇌자극

뇌 자극은 간질과 같은 몇몇 장애를 치료할 잠재력을 가지고 있다. 뇌전증이 방법에서는 스케줄된 자극이 특정 피질 또는 피질하 표적에 적용된다.예정된 시간 간격으로 전기 펄스를 전달할 수 있는 상용[3] 장치가 있습니다.예정된 자극은 간질 네트워크의 본질적인 신경생리학적 특성을 변화시키기 위해 가정된다.예정된 자극에 대해 가장 많이 탐색된 대상은 시상과 해마의 앞쪽 핵이다.시상전핵이 연구되어 자극기 삽입 [4]후 몇 달 동안 자극기가 켜졌다 꺼졌다 하는 발작 감소가 현저하게 나타났다.또한 클러스터 두통(CH)은 SPG(스페노팔라틴 신경절)에서 일시적인 자극 전극을 사용하여 치료할 수 있다.이 [5]방법에서는 자극 후 몇 분 이내에 통증 완화가 보고된다.이식된 전극의 사용을 피하기 위해, 연구원들은 지르코니아로 만들어진 "창"을 투명하게 수정하고 생쥐의 두개골에 이식하는 방법을 고안하여 광파들이 개별 [6]뉴런을 자극하거나 억제하기 위해 광파들이 더 깊이 침투하도록 했다.

뇌심부 자극

주요 기사:뇌심부 자극

심부뇌자극술(DBS)은 파킨슨병, 떨림, 디스토니아와 같은 운동장애와 우울증, 강박장애, 투레트증후군, 만성통증, 군발성두통 등의 정서장애에 이로운 점이 있다.DBS는 뇌 활동을 제어된 방식으로 직접 바꿀 수 있기 때문에, 뇌 기능의 기본 메커니즘을 신경 영상 촬영 방법과 함께 매핑하는 데 사용됩니다.

단순한 DBS 시스템은 두 개의 다른 부분으로 구성됩니다.우선, 작은 미세 전극이 조직에 자극 펄스를 전달하기 위해 뇌에 이식된다.둘째, 전기 펄스 발생기(PG)는 자극 펄스를 발생시켜 극초단파를 통해 전극에 보낸다.

정상 뇌와 질병 뇌 모두에 대한 DBS의 적용과 영향은 많은 매개변수를 수반한다.이것들은 질병 상태에 따라 변할 수 있는 뇌 조직의 생리학적 특성을 포함한다.또한 진폭과 시간적 특성, 전극과 전극을 둘러싼 조직의 기하학적 구성과 같은 자극 매개 변수도 중요합니다.

DBS에 대한 엄청난 수의 연구에도 불구하고, 그것의 작용 메커니즘은 여전히 잘 이해되지 않는다.DBS 마이크로 전극 개발은 여전히 어려운 [7]과제입니다.

뇌자극의 비침습적

설치류의 rTMS.Oscar Arias-Carrion, 2008년

경두개 자기 자극

주요 기사:경두개 자기 자극

일시적으로 고전압의 전기충격을 이용해 신경세포를 활성화하는 전기자극과 달리 1985년 베이커에 의해 경두개 자기자극(TMS)이 개발됐다.TMS는 두피 위에 있는 자기 와이어를 사용하여 날카롭고 높은 전류 펄스를 전달합니다.인가된 펄스에 의해 코일에 수직으로 시간변형 자기장이 유도되어 맥스웰의 법칙에 기초한 전계가 발생한다.전기장은 비침습적이고 통증이 훨씬 적은 자극에 필요한 전류를 제공합니다.단일 펄스 TMS와 반복 펄스 TMS(rTMS)라고 불리는 두 가지 TMS 장치가 있지만, 후자는 효과는 크지만 발작을 일으킬 가능성이 있습니다.TMS는 중추 운동 전도를 측정하는 도구와 운동 기능, 시각, 언어와 같은 인간의 뇌 생리의 다른 측면을 연구하기 위한 연구 도구로서 특히 정신 의학 치료에 사용될 수 있습니다.rTMS 방법은 10초 동안 8-25Hz의 속도로 뇌전증을 처리하는 데 사용되었습니다.rTMS의 다른 치료적 용도에는 파킨슨병, 디스토니아, 기분 질환이 포함됩니다.또, TMS는, 국소 뇌 [1]영역의 활동을 방해함으로써, 특정의 인지 기능에의 피질 네트워크의 공헌을 결정하기 위해서 사용할 수 있다.파페 외 연구진에 의해 혼수상태(영구적인 식물성 상태)로부터의 회복에 대한 초기, 결론에 이르지 못한 결과가 얻어졌다.(2009년).[8]

경두개 전기 자극 기술입니다.tDCS는 정전류 강도를 사용하는 반면 tRNS와 tACS는 발진 전류를 사용합니다.수직 축은 전류 강도(mA)를 나타내며 수평 축은 시간 경로를 나타냅니다.

경두개 전기 자극

척수 자극

척수자극(SCS)은 당뇨병성 신경병증, 허리수술실패증후군, 복합부위통증, 환상지통, 허혈성 사지통증, 굴절성 편측지통증, 헤르페스 후 신경통, 급성 대상포진통 등 만성적이고 난치성 통증을 치료하는 효과적인 치료법이다.SCS 치료의 잠재적 후보인 또 다른 통증 질환은 중간에서 심각한 만성 사지 [9]통증과 관련된 Charcot-Marie-Tooth(CMT) 질환이다.SCS 치료는 통증을 '마스크'하기 위한 척수의 전기적 자극으로 이루어진다.1965년 멜잭과[10] 월이 제안한 게이트 이론은 만성 통증에 대한 임상 치료제로 SCS를 시도하기 위한 이론적 구성을 제공했다.이 이론은 큰 직경의 골수화된 1차 구심성 섬유의 활성화가 작은 골수화되지 않은 1차 구심성으로부터 입력되는 등쪽 뿔 뉴런의 반응을 억제한다고 가정합니다.단순 SCS 시스템은 세 가지 다른 부분으로 구성됩니다.우선 경막외 공간에 마이크로 전극을 주입하여 조직에 자극 펄스를 전달한다.둘째, 하복부 또는 둔부에 삽입된 전기펄스발생기가 와이어를 통해 전극에 접속되고 셋째, PG 내의 펄스폭 및 펄스레이트 등의 자극 파라미터를 조정하는 리모컨이다.경막하 접점의 배치에서 경막외 배치로의 전환과 같은 SCS의 임상적 측면과 경막외 삽입의 위험 및 이환율을 감소시키는 동시에 경피 리드의 개선, 완전 이식형 다채널 자극제와 같은 SCS의 기술적 측면 모두에서 개선이 이루어졌다.그러나 이식된 접점의 수, 접점의 크기와 간격, 자극을 위한 전기원 등 많은 매개변수를 최적화해야 합니다.자극 펄스 폭과 펄스 속도는 SCS에서 조정해야 하는 중요한 매개 변수이며,[11] 일반적으로 각각 400us와 8–200Hz이다.

운동 장애에 대한 척수 자극

척수 자극은 척수[12][13] 손상과 다발성 경화증과 [14]같은 다른 운동 장애에서 유망한 결과를 보여 왔다.요추에 가해지는 자극은 [15][16]척수로 들어가는 큰 직경의 구심성 섬유를 활성화시켜 작용하며, 그 후 척추 신경망을 [17]활성화하고 결합시킨다.또한 동일한 대상 구조가 하부 흉추 및 [18]복부에 배치된 경피 전극에 의해 활성화될 수 있습니다.경피척수자극은 완전히 비침습적이며 TENS 전극과 자극기를 사용하기 때문에 저렴한 비용으로 적용할 수 있습니다.그러나 이식된 경막외 변종에 비해 경피척수 자극의 효과는 신체 위치 및 척추 [19][20]정렬에 따라 달라지기 때문에 시술 시 신체 위치 및 자세를 조절하지 않으면 결과가 일관되지 않을 수 있습니다.

경피 안와상 신경 자극

잠정적인 증거는 경피적 안와상 [21]신경 자극을 뒷받침한다.부작용은 적다.[22]

달팽이관 이식

달팽이관 이식

달팽이관 이식술은 2008년 현재 전세계 120,000명 이상의 사람들에게 부분 청력을 제공하고 있습니다.전기 자극은 완전히 청각장애인에게 기능적인 청력을 제공하기 위해 달팽이관 이식물에 사용된다.달팽이관 삽입물에는 외부 음성 프로세서 및 무선 주파수(RF) 전송 링크에서 내부 수신기, 자극기 및 전극 어레이로 연결되는 여러 하위 시스템 구성요소가 포함됩니다.현대의 달팽이관 이식 연구는 1960년대와 1970년대에 시작되었다.1961년에 두 명의 청각장애 환자에게 조잡한 단일 전극 장치를 이식하여 전기 자극이 있는 유용한 청력을 보고하였다.최초의 FDA 승인 단일 채널 장치는 [23]1984년에 출시되었습니다.달팽이관 이식에서는 마이크로 소리를 받아들여 귀 뒤쪽 외부 프로세서에 전달해 디지털 데이터로 변환한다.디지털화된 데이터는 무선 주파수 신호로 변조되어 헤드피스 내부의 안테나로 전송됩니다.데이터 및 전력 캐리어는 한 쌍의 커플링 코일을 통해 밀폐된 내부 장치로 전송됩니다.전력을 추출해 데이터를 복조함으로써 전류 지령을 달팽이관에 보내 마이크로 전극을 [24]통해 청각신경을 자극한다.핵심은 내부 유닛에 배터리가 없고 필요한 에너지를 추출할 수 있어야 한다는 것입니다.또한 감염을 줄이기 위해 전력과 함께 무선으로 데이터를 전송합니다.유도 결합 코일은 전력 및 데이터 원격 측정의 좋은 후보이지만, 무선 주파수 전송은 효율성과 데이터 [25]속도를 향상시킬 수 있습니다.내부 유닛에 필요한 파라미터에는 바이페이식 펄스 및 자극 모드를 정의하기 위해 사용되는 펄스 진폭, 펄스 지속시간, 펄스 갭, 활성 전극 및 리턴 전극이 포함됩니다.상용 장치의 예로는 2.5MHz의 반송파 주파수를 사용한 Nucleus 22 장치가 있으며, 이후 Nucleus 24 장치라고 불리는 새로운 개정판에서는 반송파 주파수가 [26]5MHz로 증가했습니다.달팽이관 삽입물의 내부 유닛은 안전하고 신뢰할 수 있는 전기 자극을 보장하는 ASIC(애플리케이션별 집적회로) 칩입니다.ASIC 칩 내부에는 순방향 경로, 역방향 경로 및 제어 장치가 있습니다.순방향 경로는 RF 신호에서 디지털 정보를 복구합니다. RF 신호에는 통신 오류를 줄이기 위한 자극 매개 변수와 일부 핸드쉐이크 비트가 포함됩니다.역방향 경로에는 일반적으로 기록 전극의 일정 기간 동안 전압을 판독하는 역방향 원격측정 전압 샘플러가 포함됩니다.자극기 블록은 외부 장치에 의해 미리 결정된 전류를 마이크로 전극에 공급하는 역할을 합니다.이 블록에는 기준 전류와 디지털 명령을 아날로그 [27]전류로 변환하는 디지털-아날로그 변환기가 포함됩니다.

시각 보철물

Visual cortical implant designed by Mohamad Sawan
시각피질임플란트

이론적이고 실험적인 임상 증거는 망막의 직접적인 전기 자극이 [28]망막의 광수용성 요소를 잃은 피실험자들에게 약간의 시각을 제공할 수 있다는 것을 암시한다.따라서 시각 보철물은 시각장애인의 시력을 회복시키기 위해 이 자극을 이용해 개발된다.어떤 시각 경로 위치가 신경 자극의 대상이 되느냐에 따라 다른 접근법이 고려되었다.시각 경로는 주로 눈, 시신경, 외측 유전핵(LGN) 및 시각 피질로 구성됩니다.그러므로, 망막, 시신경, 시각 피질 자극은 시각 [29]보형물에 사용되는 세 가지 다른 방법이다.망막색소증(RP)과 노화 관련 황반변성(AMD)과 같은 망막 퇴행성 질환은 망막 자극이 도움이 될 수 있는 두 가지 가능한 질병이다.망막내 상피막, 망막하, 망막외 경망막 자극이라고 불리는 세 가지 접근법은 망막 내 신경 세포를 자극하여 잃어버린 광수용체를 우회시키고 시각 신호가 정상적인 시각 경로를 통해 뇌에 도달하도록 하는 망막 장치에서 추구된다.상피 접근에서 전극은 신경절 [30]세포 근처의 망막 윗면에 배치되는 반면, 전극은 망막 아래쪽에 배치된다.[31]마지막으로 눈의 후공막 표면은 안구외 접근 전극이 배치되는 곳이다.USC의 Second Sight와 Humayun 그룹은 안구 내 망막 보형물 설계에 가장 적극적인 그룹입니다.아르고스TM 16 망막 임플란트는 비디오 처리 기술을 이용한 안구 내 망막 보철물입니다.시각피질 자극에 관해서는 브린들리와 도벨이 최초로 실험을 했고 대부분의 전극이 시각피질의 상면을 자극함으로써 시각지각을 [11]만들어 낼 수 있다는 것을 증명했다.보다 최근에 사완은 피질 내 자극을 위한 완전한 임플란트를 만들었고 [32]쥐의 수술을 검증했다.

심박조율기, 센티미터 단위 눈금

망막에서 시각피질로 신호를 전달하기 위해 중뇌에 위치한 LGN은 자극에 사용될 수 있는 또 다른 잠재적 영역이다.하지만 이 지역은 수술의 어려움으로 인해 접근이 제한되었습니다.최근 중뇌를 대상으로 한 심층 뇌 자극 기술의 성공은 시각 [33]보철물에 대한 LGN 자극의 접근을 추구하기 위한 연구를 장려하고 있다.

심장 전기 자극 장치

상세 정보:인공심장박동조절기

이식형 심박조율기는 1959년에 처음 제안되었고 그 이후로 더욱 정교해졌다.심장 박동기의 치료적 적용은 몇몇 형태의 빈박, 심부전, 그리고 심지어 뇌졸중을 포함한 수많은 리듬 장애로 구성됩니다.초기 이식형 심박조절기는 짧은 시간 동안만 작동했고 유도 링크에 의한 정기적인 재충전이 필요했다.이 이식형 심박조절기는 전극 [34]외에 심장 근육을 일정 속도로 자극하기 위한 펄스 발생기가 필요했다.오늘날 최신 펄스 발생기는 RF를 사용하는 정교한 컴퓨터화된 기계에 의해 비침습적으로 프로그래밍되어 원격 측정을 통해 환자와 장치 상태에 대한 정보를 얻습니다.또한 단일 밀폐된 요오드화 리튬(LiI) 셀을 배터리로 사용합니다.심박조절회로에는 심장의 고유 전기신호를 검출하기 위한 센스앰프, 심박조절속도의 증감 필요성을 결정하는 속도적응회로, 마이크로프로세서, 파라미터를 저장하는 메모리, 통신프로토콜을 위한 원격측정제어, pr.전위 조절 전압.[35]

자극 미세 전극 기술

유타 마이크로 전극 어레이

미세 전극은 신경 자극의 핵심 요소 중 하나로 뉴런에 전류를 전달합니다.전형적인 마이크로 전극은 기판(캐리어), 도전성 금속층 및 절연 재료의 3가지 주요 구성 요소로 구성됩니다.백금 이리듐 합금으로 마이크로 전극을 형성한다.최첨단 전극은 각 전극 채널에 할당된 주파수 대역에 자극의 강약 위치를 더 잘 맞추기 위해 더 깊은 삽입을 포함하고 자극의 효율을 향상시키며 삽입 관련 외상을 감소시킨다.이러한 달팽이관 삽입 전극은 각각 Med El Combi 40+ 및 Advanced Bionics Helix 마이크로 전극과 같은 직선 또는 나선형입니다.시각 임플란트에는 평면형 또는 3차원 바늘 또는 기둥형이라는 두 가지 유형의 전극 어레이가 있는데, 유타 어레이와 같은 바늘형 어레이는 주로 피질 및 시신경 자극에 사용되며 망막 손상 가능성 때문에 망막 임플란트에는 거의 사용되지 않습니다.단, 안구외 임플란트에는 박막폴리이미드상의 기둥형 금전극 어레이가 사용되고 있다.한편 평면전극 어레이는 망막임플란트 후보로 실리콘, 폴리이미드, 파릴렌 등의 플렉시블 폴리머로 형성된다.DBS 마이크로 전극과 관련하여, 독립적으로 제어될 수 있는 어레이는 표적 핵 전체에 걸쳐 분포되어 자극의 공간적 분포를 정밀하게 제어할 수 있으며, 따라서 더 나은 개인화된 DBS를 가능하게 한다.DBS 마이크로 전극에는 조직에 대한 손상이나 전극의 열화 없이 긴 수명, 다른 뇌 부위에 맞게 맞춤화된 재료의 장기 생체적합성, 임플란트 외과의사에 의한 취급 중 손상 없이 목표물에 도달하기 위한 기계적 내구성 및 핀홀을 포함하는 몇 가지 요구사항이 있습니다.y 특정 어레이의 마이크로 전극 전체에 걸친 성능의 균일성.DBS에서 [11]사용되는 마이크로 전극으로는 텅스텐 마이크로파, 이리듐 마이크로파, 스패터 또는 전착[36] 플래티넘 이리듐 합금 마이크로 전극 등이 있습니다.탄화실리콘은 생체적합 반도체 [37]소자를 실현하기 위한 잠재적 관심 소재이다.

역사

신경 자극에 대한 주요 발견은 치료 목적으로 신경을 자극한다는 생각에서 비롯되었다.통증 완화를 위해 전기 자극을 사용한 최초의 기록은 스크리보니우스 라거스가 [38]두통을 완화하기 위해 어뢰 피쉬(전기 광선)를 사용했던 서기 46년으로 거슬러 올라간다.18세기 후반, 루이지 갈바니는 죽은 개구리 다리 근육이 신경계에 [39]직류에 부딪힐 때 경련을 일으킨다는 것을 발견했습니다.개의 운동 피질의 전기적 자극에 의한 뇌 활동의 조절은 1870년에 사지 [40]운동을 야기한 것으로 나타났다.18세기 후반부터 오늘날까지 많은 이정표가 개발되었습니다.최근에는 시각 이식, 달팽이관 이식, 청각 중뇌 이식, 척수 자극기 등의 감각 보철기, 심부 뇌 자극기, 생체 자극기, 뇌 제어 및 감지 인터페이스, 심장 전기 자극기 등의 운동 보철기 등이 널리 [11]사용되고 있다.

2013년 영국의 제약회사 글락소스미스클라인(GSK)은 전기, 기계 또는 빛 자극을 사용하여 관련 조직의 [41][42]전기적 신호에 영향을 미치는 의료기기를 광범위하게 포괄하기 위해 "전기적"이라는 용어를 만들었다.청력 회복을 위한 달팽이관 이식, 시력을 회복하기 위한 망막 이식, 통증 완화를 위한 척수 자극기, 심장 박동 조절기, 이식식 제세동기 등의 임상 신경 이식물이 전기해학의 [41]예시로 제안되고 있다.GSK는 벤처펀드를 결성해 2013년 이 [43]분야의 연구 의제를 마련하기 위한 콘퍼런스를 개최하겠다고 밝혔다.자가면역장애에서 신경계와 면역계 사이의 상호작용에 대한 2016년 리뷰에서는 [44]관절염과 같은 질환에 대해 개발 중인 신경자극장치를 언급하면서 통과와 인용부호에 "전기"가 언급되었다.

조사.

신경자극의 엄청난 사용 외에도, 그것은 1920년대 델가도와 같은 사람들에 의해 시작된 실험실에서 널리 사용되고 있습니다. 델가도와 같은 사람들은 뇌가 어떻게 작동하는지에 대한 기본을 연구하기 위한 실험 조작으로 자극을 사용했습니다.주요 연구는 뇌의 보상중추에 관한 것으로, 이러한 구조의 자극이 더 많은 자극을 요구하는 쾌락으로 이어졌다.또 다른 가장 최근의 예는 편향 지각에 대한 일차 시각 피질의 MT 영역의 전기적 자극이다.특히 MT 영역에서는 움직임의 방향성이 규칙적으로 표현된다.그들은 원숭이들에게 화면에 움직이는 영상을 보여주었고 원숭이 처리량은 방향을 결정하는 것이었다.그들은 원숭이의 반응에 체계적으로 몇 가지 오류를 도입함으로써 다른 방향으로 움직임을 감지하는 MT 영역을 자극함으로써 원숭이가 실제 움직임과 자극된 움직임 사이의 어딘가에 반응한다는 것을 발견했다.이것은 MT 영역이 실제 움직임의 지각에 필수적이라는 것을 보여주기 위한 자극의 우아한 사용이었다.기억 영역 내에서 자극은 신경전달물질의 방출을 초래하는 한 세포에 소량의 전류를 인가하고 시냅스 후 전위를 측정함으로써 한 세포 다발과 다른 세포 사이의 연결 강도를 테스트하기 위해 매우 자주 사용된다.

일반적으로 100Hz 범위의 짧은 고주파 전류는 장기전위화라고 불리는 연결을 강화하는 데 도움이 됩니다.그러나 저주파 전류가 길면 [45]장기저하로 알려진 연결이 약해지는 경향이 있습니다.

「 」를 참조해 주세요.

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