nörostimülasyon - Neurostimulation

Nörostimulasyon amaca modülasyonudur sinir sistemi invaziv (örneğin kullanılarak aktivite sitesindeki mikroelektrot ) veya invaziv olmayan araçlar (örn transkraniyal manyetik stimülasyon veya transkraniyal elektrik stimülasyonu gibi TES, TDC'lerin veya transkraniyal alternatif akım uyarılması , TAC). Nörostimülasyon genellikle nöromodülasyona yönelik elektromanyetik yaklaşımları ifade eder .

Nörostimülasyon teknolojisi, ciddi şekilde felçli olan veya çeşitli duyu organlarında derin kayıplar yaşayanların yaşam kalitesini iyileştirebilir ve ayrıca, aksi takdirde sürekli (24 saat), yüksek doz gerektiren şiddetli, kronik ağrının kalıcı olarak azaltılmasını sağlayabilir. opioid tedavisi (nöropatik ağrı ve omurilik yaralanması gibi). İşitme cihazları , yapay görme, yapay uzuvlar ve beyin-makine arayüzleri için nöral protezlerin anahtar parçası olarak hizmet eder . Nöral stimülasyon durumunda , çoğunlukla bir elektrik stimülasyonu kullanılır ve yük dengeli iki fazlı sabit akım dalga biçimleri veya kapasitif olarak eşleştirilmiş yük enjeksiyon yaklaşımları benimsenir. Alternatif olarak, transkraniyal manyetik stimülasyon ve transkraniyal elektrik stimülasyonu , manyetik alan veya transkraniyal olarak uygulanan elektrik akımlarının nörostimülasyona neden olduğu invazif olmayan yöntemler olarak önerilmiştir .

beyin uyarımı

Beyin stimülasyonu, epilepsi gibi bazı bozuklukları tedavi etme potansiyeline sahiptir . Bu yöntemde, belirli kortikal veya subkortikal hedeflere programlı stimülasyon uygulanır. Planlanmış zaman aralıklarında elektrik darbesi gönderebilen ticari cihazlar mevcuttur. Programlı stimülasyonun epileptik ağların içsel nörofizyolojik özelliklerini değiştirdiği varsayılmaktadır. Planlı stimülasyon için en çok araştırılan hedefler talamusun ön çekirdeği ve hipokampustur . Talamusun ön çekirdeği üzerinde çalışılmıştır ve bu, stimülatör implantasyonundan sonraki birkaç ay boyunca stimülatör açık ve kapalıyken önemli bir nöbet azalması göstermiştir . Ayrıca küme baş ağrısı (CH), sfenopalatin ganglionda (SPG) geçici bir uyarıcı elektrot kullanılarak tedavi edilebilir . Bu yöntemde, stimülasyondan birkaç dakika sonra ağrının dindiği bildirilir. İmplante elektrotların kullanımından kaçınmak için, araştırmacılar, optik dalgaların optogenetikte olduğu gibi daha derine nüfuz etmesine izin vermek , uyarmak veya engellemek için fare kafataslarına implante edilmiş ve şeffaf olacak şekilde değiştirilmiş zirkonyadan yapılmış bir "pencere" yazmanın yollarını tasarladılar. bireysel nöronlar.

Derin beyin uyarımı

Derin beyin stimülasyonu (DBS), Parkinson hastalığı , tremor ve distoni gibi hareket bozuklukları ve depresyon , obsesif-kompulsif bozukluk , Tourette sendromu , kronik ağrı ve küme baş ağrısı gibi duygusal bozukluklar için faydalar göstermiştir . DBS, beyin aktivitesini kontrollü bir şekilde doğrudan değiştirebildiğinden, nörogörüntüleme yöntemleri ile birlikte beyin fonksiyonlarının temel mekanizmalarını haritalamak için kullanılır.

Basit bir DBS sistemi iki farklı bölümden oluşur. İlk olarak, dokuya stimülasyon darbeleri iletmek için beyne küçük mikro elektrotlar implante edilir. İkincisi, bir elektrik darbe üreteci (PG), elektrotlara mikro teller aracılığıyla gönderdiği stimülasyon darbeleri üretir.

DBS'nin hem normal hem de hastalıklı beyinlere uygulanması ve etkileri birçok parametreyi içerir. Bunlar, hastalık durumu ile değişebilen beyin dokusunun fizyolojik özelliklerini içerir. Genlik ve zamansal özellikler gibi stimülasyon parametreleri ve elektrotun ve onu çevreleyen dokunun geometrik konfigürasyonu da önemlidir.

DBS ile ilgili çok sayıda çalışmaya rağmen, etki mekanizması hala tam olarak anlaşılamamıştır. DBS mikroelektrotlarının geliştirilmesi hala zorludur.

Non-invaziv beyin stimülasyonu

Bir kemirgende rTMS. Oscar Arias-Carrión, 2008'den

Stimülasyonun transkraniyal manyetik

Potansiyel olarak aktive ağrı elyafları olabilir aktive nöronlar kısa, yüksek voltajlı elektrik çarpmasına, kullanan elektrik stimülasyonu ile karşılaştırıldığında transkraniyal manyetik stimulasyon (TMS) üzerinde bir manyetik tel kullanan 1985 TMS Baker tarafından geliştirilen kafa derisi keskin taşır ve yüksek akım darbesi. Uygulanan darbe nedeniyle bobine dik bir zaman değişkenli manyetik alan indüklenir ve sonuç olarak Maxwell yasasına dayalı bir elektrik alanı oluşturur . Elektrik alanı, non-invaziv ve çok daha az ağrılı bir stimülasyon için gerekli akımı sağlar. Tek darbeli TMS ve tekrarlayan darbeli TMS (rTMS) olarak adlandırılan iki TMS cihazı vardır, ikincisi daha büyük etkiye sahiptir ancak nöbete neden olma potansiyeli vardır. TMS, özellikle psikiyatride terapi için , merkezi motor iletimi ölçmek için bir araç ve motor fonksiyon, görme ve dil gibi insan beyni fizyolojisinin farklı yönlerini incelemek için bir araştırma aracı olarak kullanılabilir. rTMS yöntemi, epilepsiyi 10 saniye boyunca 8-25 Hz oranlarında tedavi etmek için kullanılmıştır. rTMS'nin diğer terapötik kullanımları, parkinson hastalıkları, distoni ve duygudurum hastalıklarını içerir. Ayrıca, odak beyin bölgesindeki aktiviteyi bozarak kortikal ağların belirli bilişsel işlevlere katkısını belirlemek için TMS kullanılabilir. Pape ve arkadaşları tarafından komadan ( kalıcı bitkisel durum ) iyileşmede erken, sonuçsuz sonuçlar elde edilmiştir . (2009).

Tekniklerin transkraniyal elektrik stimülasyonu. tDCS sabit akım yoğunluğu kullanırken, tRNS ve tACS salınımlı akım kullanır. Dikey eksen, miliamper (mA) cinsinden akım yoğunluğunu temsil ederken, yatay eksen zaman akışını gösterir.

Transkraniyal elektrik stimülasyonu

• Transkraniyal doğru akım uyarımı (tDCS)
• Transkraniyal alternatif akım uyarımı (tACS)
• Transkraniyal darbeli akım uyarımı (tPCS)
• Transkraniyal rastgele gürültü uyarımı (tRNS)

Omurilik stimülasyonu

Spinal kord stimülasyonu (SCS) de dahil olmak üzere, kronik ve inatçı ağrı tedavisi için etkili bir tedavi olduğu , diyabetik nöropati , başarısız geri cerrahisinin , kompleks bölgesel ağrı sendromu , hayalet uzuv ağrısı, iskemik kol ve bacak ağrısı, ateşe dayanıklı tek taraflı uzuv ağrısı sendromu, postherpetik nevralji ve akut herpes zoster ağrısı. SCS tedavisi için potansiyel bir aday olan başka bir ağrı durumu, orta ila şiddetli kronik ekstremite ağrısı ile ilişkili Charcot-Marie-Tooth (CMT) hastalığıdır. SCS tedavisi, ağrıyı 'maskelemek' için omuriliğin elektrikle uyarılmasından oluşur. Kapı Teorisi 1965 önerilen Melzack ve duvar kronik ağrı için bir klinik tedavi olarak SCS girişimi için teorik bir yapı sağlamıştır. Bu teori, büyük çaplı, miyelinli primer afferent liflerin aktivasyonunun, dorsal boynuz nöronlarının küçük, miyelinsiz primer afferentlerden gelen girdilere verdiği yanıtı baskıladığını varsaymaktadır . Basit bir SCS sistemi üç farklı bölümden oluşur. İlk olarak, dokuya stimülasyon darbeleri iletmek için epidural boşluğa mikroelektrotlar implante edilir. İkinci olarak, elektrotlara teller aracılığıyla bağlıyken alt karın bölgesine veya gluteal bölgeye implante edilen bir elektrik puls üreteci ve üçüncüsü, PG'de nabız genişliği ve nabız hızı gibi uyaran parametrelerini ayarlamak için bir uzaktan kumanda. SCS implantasyonunun risk ve morbiditesini azaltan subdural kontak yerleştirmeden epidural yerleştirmeye geçiş gibi SCS'nin klinik yönlerinde ve ayrıca SCS'nin perkütan lead'leri iyileştirme ve tamamen implante edilebilir çoklu implantasyon gibi teknik yönlerinde iyileştirmeler yapılmıştır. kanal uyarıcıları Ancak, implante edilen kontakların sayısı, kontak boyutu ve aralığı ve stimülasyon için elektrik kaynakları dahil optimize edilmesi gereken birçok parametre vardır. Uyaran darbe genişliği ve darbe hızı, sırasıyla tipik olarak 400 us ve 8–200 Hz olan SCS'de ayarlanması gereken önemli parametrelerdir.

Transkutanöz supraorbital sinir stimülasyonu

Geçici kanıtlar, transkutanöz supraorbital sinir stimülasyonunu destekler. Yan etkileri azdır.

koklear implantlar

koklear implant

Koklear implantlar , 2008 itibariyle dünya çapında 120.000'den fazla kişiye kısmi işitme sağlamıştır. Elektrik stimülasyonu, tamamen sağır kişilerde işlevsel işitme sağlamak için bir koklear implantta kullanılır. Koklear implantlar, harici konuşma işlemcisinden ve dahili alıcıya, stimülatöre ve elektrot dizilerine radyo frekansı (RF) iletim bağlantısından birkaç alt sistem bileşeni içerir . Modern koklear implant araştırmaları 1960'larda ve 1970'lerde başladı. 1961'de, iki sağır hastaya ham tek elektrotlu bir cihaz implante edildi ve elektrik stimülasyonu ile faydalı işitme bildirildi. İlk FDA onaylı tam tek kanallı cihaz 1984 yılında piyasaya sürüldü. Koklear implantlarda ses bir mikrofon tarafından alınır ve dijital verilere dönüştürülmek üzere kulak arkası harici işlemcisine iletilir. Sayısallaştırılmış veriler daha sonra bir radyo frekansı sinyali üzerinde modüle edilir ve bir başlığın içindeki bir antene iletilir . Veri ve güç taşıyıcısı, bir çift bağlı bobin aracılığıyla hava geçirmez şekilde kapatılmış dahili birime iletilir. Gücü çıkararak ve verileri demodüle ederek, mikroelektrotlar aracılığıyla işitsel siniri uyarmak için kokleaya elektrik akımı komutları gönderilir . İşin püf noktası, iç ünitenin pilinin olmaması ve gerekli enerjiyi çıkarabilmesidir. Ayrıca enfeksiyonu azaltmak için veriler güçle birlikte kablosuz olarak iletilir. Endüktif olarak bağlanmış bobinler, radyo frekansı iletimi daha iyi verimlilik ve veri hızları sağlayabilmesine rağmen, güç ve veri telemetrisi için iyi adaylardır. Dahili ünite tarafından ihtiyaç duyulan parametreler, iki fazlı bir darbeyi ve stimülasyon modunu tanımlamak için kullanılan darbe genliği, darbe süresi, darbe aralığı, aktif elektrot ve dönüş elektrotunu içerir. Ticari cihazlara örnek olarak, 2.5 MHz'lik bir taşıyıcı frekansı kullanan Nucleus 22 cihazı ve daha sonra Nucleus 24 cihazı olarak adlandırılan yeni revizyonda, taşıyıcı frekansı 5 MHz'e yükseltilmiştir. Koklear implantlardaki iç ünite, güvenli ve güvenilir elektrik stimülasyonu sağlamaktan sorumlu bir ASIC ( uygulamaya özel entegre devre ) çipidir. ASIC çipinin içinde bir ileri yol, bir geri yol ve kontrol birimleri vardır. İleri yol, iletişim hatasını azaltmak için stimülasyon parametrelerini ve bazı el sıkışma bitlerini içeren RF sinyalinden dijital bilgileri kurtarır. Geriye giden yol genellikle, kayıt elektrotunda belirli bir süre boyunca voltajı okuyan bir geri telemetri voltaj örnekleyici içerir. Stimülatör bloğu, harici ünite tarafından önceden belirlenmiş akımı mikro elektrotlara iletmekten sorumludur. Bu blok, bir referans akımı ve dijital komutları bir analog akıma dönüştürmek için bir dijitalden analoğa dönüştürücü içerir .

görsel protez

Görsel Kortikal İmplant

Teorik ve deneysel klinik deliller retinanın o doğrudan elektrik stimülasyonu kendi içinde photoreceptive unsurlarını kaybetmiş konulara bazı vizyon sağlamak mümkün olabilir düşündürmektedir retinada . Bu nedenle, uyarıyı kullanarak körlerin vizyonunu geri kazandırmak için görsel protezler geliştirilmiştir. Nöral uyarım için hangi görsel yol konumunun hedeflendiğine bağlı olarak , farklı yaklaşımlar düşünülmüştür. Görsel yol esas olarak göz , optik sinir , lateral genikulat çekirdek (LGN) ve görsel korteksten oluşur . Bu nedenle retinal, optik sinir ve görsel korteks uyarımı görme protezlerinde kullanılan üç farklı yöntemdir. Retinitis pigmentosa (RP) ve yaşa bağlı makula dejenerasyonu (AMD) gibi retina dejeneratif hastalıkları, retina uyarısının yardımcı olabileceği iki olası aday hastalıktır. Göz içi epiretinal, subretinal ve ekstraoküler transretinal stimülasyon olarak adlandırılan üç yaklaşım, kalan retina nöral hücrelerini kayıp fotoreseptörleri atlamak ve görsel sinyalin normal görsel yoldan beyne ulaşmasını sağlamak için uyaran retina cihazlarında izlenir. Epiretinal yaklaşımda elektrotlar retinanın üst tarafına ganglion hücrelerinin yanına yerleştirilirken, subretinal yaklaşımlarda elektrotlar retinanın altına yerleştirilir. Son olarak, gözün arka skleral yüzeyi, ekstraoküler yaklaşım elektrotlarının yerleştirildiği yerdir. USC'deki Second Sight ve Hümayun grubu, göz içi retina protezlerinin tasarımında en aktif gruplardır. ArgusTM 16 retina implantı, video işleme teknolojilerini kullanan bir göz içi retina protezidir. Görsel korteks uyarımı ile ilgili olarak, Brindley ve Dobelle deneyleri yapan ve görsel korteksin üst tarafını uyararak elektrotların çoğunun görsel algı üretebileceğini gösteren ilk kişilerdi. Daha yakın zamanlarda Sawan, intrakortikal stimülasyon için tam bir implant yaptı ve operasyonu sıçanlarda doğruladı.

Bir kalp pili, santimetre cinsinden ölçek

Retinadan görsel kortekse sinyal iletmek için orta beyinde bulunan LGN, stimülasyon için kullanılabilecek başka bir potansiyel alandır. Ancak bu alan cerrahi zorluk nedeniyle sınırlı erişime sahiptir. Hedeflemesi derin beyin stimülasyonu tekniklerinin son başarısı orta beyin görsel protez için LGN stimülasyon yaklaşımını sürdürmeye teşvik edilmiş araştırmalar vardır.

Kardiyak elektrostimülasyon cihazları

İmplante edilebilir kalp pilleri ilk kez 1959'da önerildi ve o zamandan beri daha sofistike hale geldi. Kalp pillerinin terapötik uygulaması, bazı taşikardi formları (çok hızlı kalp atışı), kalp yetmezliği ve hatta inme dahil olmak üzere çok sayıda ritim bozukluğundan oluşur . Erken implante edilebilir kalp pilleri yalnızca kısa bir süre çalıştı ve endüktif bir bağlantı ile periyodik olarak yeniden şarj edilmesi gerekiyordu. Bu implante edilebilir kalp pilleri , elektrotlara ek olarak kalp kaslarını belirli bir oranda uyarmak için bir puls üretecine ihtiyaç duyuyordu . Günümüzde modern puls üreteçleri, RF kullanan karmaşık bilgisayarlı makineler tarafından non-invaziv olarak programlanmakta ve telemetri ile hastanın ve cihazın durumu hakkında bilgi almaktadır. Ayrıca pil olarak tek bir hava geçirmez şekilde kapatılmış lityum iyodür (LiI) hücresi kullanırlar. Kalp pili devresi, kalp aktivitesini izlemek için kullanılan kalbin içsel elektrik sinyallerini algılamak için algılama amplifikatörleri, artan veya azaltılmış pacing hızı ihtiyacını belirleyen hız uyarlamalı devre, bir mikroişlemci, parametreleri depolamak için bellek, iletişim için telemetri kontrolü içerir. Regüle edilmiş voltaj sağlamak için protokol ve güç kaynakları.

Stimülasyon mikroelektrot teknolojileri

Utah mikroelektrot dizisi

Mikroelektrotlar, akımı nöronlara ileten nörostimülasyonun temel bileşenlerinden biridir. Tipik mikroelektrotların üç ana bileşeni vardır: bir alt tabaka ( taşıyıcı ), iletken bir metal tabaka ve bir yalıtım malzemesi. Koklear implantlarda platin-iridyum alaşımından mikro elektrotlar oluşturulur . Son teknoloji ürünü elektrotlar, tonotopik stimülasyon yerini her elektrot kanalına atanan frekans bandına daha iyi uydurmak için daha derin yerleştirmeyi içerir , stimülasyonun verimliliğini artırır ve yerleştirmeye bağlı travmayı azaltır. Bu koklear implant elektrotları sırasıyla Med El Combi 40+ ve Advanced Bionics Helix mikroelektrotları gibi düz veya spiraldir. Görsel implantlarda, Utah dizisi gibi iğne tipi dizilimlerin çoğunlukla kortikal ve optik sinir stimülasyonları için kullanıldığı ve olası hasar nedeniyle retina implantlarında nadiren kullanıldığı düzlemsel tip veya üç boyutlu iğne veya sütun tipi olarak adlandırılan iki tip elektrot dizisi vardır. retinanın. Bununla birlikte, bir ekstraoküler implantta ince film poliimid üzerinde sütun şeklinde bir altın elektrot dizisi kullanılmıştır. Öte yandan, düzlemsel elektrot dizileri, retina implantları için aday olarak silikon , poliimid ve Parylene gibi esnek polimerlerden oluşturulur . DBS mikroelektrotları ile ilgili olarak, hedef çekirdek boyunca dağıtılan bağımsız olarak kontrol edilebilen bir dizi, stimülasyonun uzamsal dağılımının kesin kontrolüne izin verecek ve böylece daha iyi kişiselleştirilmiş DBS'ye izin verecektir. DBS mikroelektrotları için, dokuya zarar vermeden veya elektrotların bozulması olmadan uzun kullanım ömrü, farklı beyin bölgeleri için özelleştirilmiş , malzemenin uzun vadeli biyouyumluluğu , hedefe ulaşmak için mekanik olarak dayanıklı olması, taşıma sırasında hasar görmeden hedefe ulaşmasını içeren çeşitli gereksinimler vardır . implant cerrahı ve son olarak belirli bir dizideki mikro elektrotlar arasında performansın tekdüzeliği. DBS'de kullanılan mikroelektrot örnekleri, tungsten mikro tel, iridyum mikro teller ve püskürtülmüş veya elektrodepolanmış Platin-iridyum alaşımlı mikroelektrotlardır. Silisyum karbür , biyouyumlu yarı iletken cihazları gerçekleştirmek için potansiyel olarak ilginç bir malzemedir.

Tarih

Nörostimülasyonla ilgili birincil bulgular, sinirleri terapötik amaçlarla uyarma fikrinden kaynaklanmaktadır. Ağrı kesici için elektrik stimülasyonunun ilk kaydedilen kullanımı, Scribonius Largus'un baş ağrılarını gidermek için torpido balığı (elektrik ışını) kullandığı MS 46 yılına kadar uzanır . 18. yüzyılın sonlarında Luigi Galvani , sinir sistemine doğru akım çarptığında ölü kurbağa bacaklarının kaslarının seğirdiğini keşfetti. Köpeklerde motor korteksin elektriksel uyarımı ile beyin aktivitesinin modülasyonu, 1870'de uzuv hareketiyle sonuçlanan gösterilmiştir. 18. yüzyılın sonlarından günümüze kadar birçok dönüm noktası geliştirilmiştir. Günümüzde, görsel implantlar, koklear implantlar, işitsel orta beyin implantları ve omurilik uyarıcıları gibi duyusal protez cihazları ve ayrıca derin beyin uyarıcıları, Bion mikro uyarıcıları, beyin kontrol ve algılama arayüzü ve kardiyak elektro-stimülasyon cihazları gibi motor protez cihazları yaygın olarak kullanılmaktadır.

2013 yılında İngiliz ilaç şirketi GlaxoSmithKline (GSK) , ilgili doku tiplerinde elektrik sinyalini etkilemek için elektriksel, mekanik veya ışık uyarımı kullanan tıbbi cihazları geniş ölçüde kapsayacak şekilde "elektrosötik" terimini kullandı . İşitmeyi geri kazandırmak için koklear implantlar , görüşü geri kazandırmak için retina implantları , ağrı kesici veya kalp pili için omurilik uyarıcıları ve implante edilebilir defibrilatörler gibi klinik nöral implantlar , önerilen elektrosötik örnekleridir. GSK bir girişim fonu kurdu ve 2013 yılında bu alana yönelik bir araştırma gündemi belirlemek üzere bir konferansa ev sahipliği yapacağını söyledi. Otoimmün bozukluklarda sinir ve bağışıklık sistemleri arasındaki etkileşimler üzerine yapılan 2016 tarihli bir araştırma incelemesi, artrit gibi durumlar için geliştirilmekte olan nörostimülasyon cihazlarına atıfta bulunarak, "elektrosötikler"den ve tırnak içinde bahsedildi.

Araştırma

Nörostimülasyonun klinik uygulamalar için muazzam kullanımına ek olarak, beynin nasıl çalıştığının temellerini incelemek için stimülasyonu deneysel bir manipülasyon olarak kullanan Delgado gibi insanlar tarafından 1920'lere kadar uzanan laboratuvarlarda yaygın olarak kullanılmaktadır. Birincil çalışmalar, bu yapıların uyarılmasının daha fazla uyarılma talep eden hazza yol açtığı beynin ödül merkezi üzerineydi. En yeni başka bir örnek, birincil görsel korteksin MT alanının önyargılı algıya elektriksel uyarımıdır. Özellikle, hareketin yönlülüğü MT alanında düzenli bir şekilde temsil edilir. Maymunlara ekranda hareketli görüntüler sundular ve yönün ne olduğunu belirlemek için maymun çıktısı oldu. Maymunun tepkilerine sistematik olarak bazı hatalar ekleyerek, hareketi başka bir yönde algılamaktan sorumlu olan MT alanını uyararak, maymunun gerçek hareket ile uyarılan hareket arasında bir yerde tepki verdiğini buldular. Bu, hareketin gerçek algılanmasında MT alanının gerekli olduğunu göstermek için stimülasyonun zarif bir kullanımıydı. Bellek alanı içinde, bir hücreye küçük bir akım uygulayarak bir hücre demeti arasındaki bağlantının gücünü test etmek için stimülasyon çok sık kullanılır, bu da nörotransmitterlerin salınmasına neden olur ve postsinaptik potansiyeli ölçer .

Genel olarak, 100 Hz aralığında kısa fakat yüksek frekanslı bir akım, uzun süreli güçlenme olarak bilinen bağlantının güçlendirilmesine yardımcı olur . Bununla birlikte, daha uzun ancak düşük frekanslı akım, uzun süreli depresyon olarak bilinen bağlantıları zayıflatma eğilimindedir .

Ayrıca bakınız

• Non-invaziv serebellar stimülasyon

Referanslar