Neurotechnik - Neural engineering

Für andere Verwendungen siehe Neurokybernetik .

Neural Engineering (auch bekannt als neuroengineering ) ist eine Disziplin innerhalb der biomedizinischen Technik , dass Anwendungen Engineering - Techniken zu verstehen, zu reparieren, ersetzen oder neuronale Systeme verbessern. Neuroingenieure sind einzigartig qualifiziert, Designprobleme an der Schnittstelle von lebendem neuronalem Gewebe und nicht lebenden Konstrukten zu lösen ( Hetling, 2008 ).

Überblick

Das Gebiet der Neural Engineering stützt sich auf die Bereiche Computational Neuroscience , Experimental Neuroscience, Clinical Neurology , Elektrotechnik und Signalverarbeitung von lebendem neuronalem Gewebe und umfasst Elemente aus Robotik , Kybernetik , Computer Engineering , neuronalem Tissue Engineering , Materialwissenschaft und Nanotechnologie .

Zu den herausragenden Zielen auf diesem Gebiet gehören die Wiederherstellung und Verbesserung der menschlichen Funktionen durch direkte Interaktionen zwischen dem Nervensystem und künstlichen Geräten .

Ein Großteil der aktuellen Forschung konzentriert sich darauf, die Kodierung und Verarbeitung von Informationen in den sensorischen und motorischen Systemen zu verstehen , zu quantifizieren, wie diese Verarbeitung im pathologischen Zustand verändert wird und wie sie durch Interaktionen mit künstlichen Geräten wie Gehirn-Computer-Schnittstellen und Neuroprothetik manipuliert werden kann .

Andere Forschungen konzentrieren sich mehr auf experimentelle Untersuchungen, einschließlich der Verwendung neuronaler Implantate in Verbindung mit externer Technologie.

Neurohydrodynamik ist eine Abteilung der Neurotechnik , die sich auf die Hydrodynamik des neurologischen Systems konzentriert.

Geschichte

Da Neural Engineering ein relativ neues Gebiet ist, sind Informationen und Forschung dazu vergleichsweise begrenzt, obwohl sich dies schnell ändert. Die ersten Fachzeitschriften, die sich speziell dem Neuroengineering widmen, The Journal of Neural Engineering und The Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation, entstanden beide im Jahr 2004. Internationale Konferenzen zum Neuroengineering werden vom IEEE seit 2003 vom 29. April bis 2. Mai 2009 in Antalya veranstaltet. Türkei 4. Konferenz über Neurotechnik, die 5. Internationale IEEE EMBS Konferenz über Neurotechnik im April/Mai 2011 in Cancún , Mexiko , und die 6. Konferenz in San Diego , Kalifornien im November 2013. Die 7. Konferenz fand im April 2015 in Montpellier statt . Die 8. Konferenz fand im Mai 2017 in Shanghai statt .

Grundlagen

Die Grundlagen des Neuroengineering umfassen die Beziehung von Neuronen, neuronalen Netzen und Nervensystemfunktionen zu quantifizierbaren Modellen, um die Entwicklung von Geräten zu unterstützen, die Signale interpretieren und steuern und zielgerichtete Reaktionen erzeugen können.

Neurowissenschaften

Nachrichten, die der Körper verwendet, um Gedanken, Sinne, Bewegungen und das Überleben zu beeinflussen, werden durch Nervenimpulse geleitet, die über das Gehirngewebe und den Rest des Körpers übertragen werden. Neuronen sind die grundlegende Funktionseinheit des Nervensystems und sind hochspezialisierte Zellen, die in der Lage sind, diese Signale zu senden, die Funktionen auf hoher und niedriger Ebene ausführen, die für das Überleben und die Lebensqualität erforderlich sind. Neuronen haben spezielle elektrochemische Eigenschaften, die es ihnen ermöglichen, Informationen zu verarbeiten und diese Informationen dann an andere Zellen weiterzugeben. Die neuronale Aktivität hängt vom Potenzial der neuralen Membran und den Veränderungen ab, die entlang und darüber auftreten. Eine konstante Spannung, bekannt als das Membranpotential , wird normalerweise durch bestimmte Konzentrationen spezifischer Ionen über die neuronalen Membranen hinweg aufrechterhalten. Unterbrechungen oder Variationen dieser Spannung erzeugen ein Ungleichgewicht oder eine Polarisation über die Membran. Die Depolarisation der Membran über ihr Schwellenpotential hinaus erzeugt ein Aktionspotential, das die Hauptquelle der Signalübertragung ist, die als Neurotransmission des Nervensystems bekannt ist. Ein Aktionspotential führt zu einer Kaskade von Ionenfluss nach unten und durch eine axonale Membran, wodurch ein effektiver Spannungsspitzenzug oder ein "elektrisches Signal" erzeugt wird, das weitere elektrische Veränderungen in anderen Zellen übertragen kann. Signale können durch elektrische, chemische, magnetische, optische und andere Reize erzeugt werden, die den Ladungsfluss und damit die Spannungsniveaus durch die Nervenmembranen beeinflussen (He 2005).

Maschinenbau

Ingenieure verwenden quantitative Werkzeuge, die zum Verständnis und zur Interaktion mit komplexen neuronalen Systemen verwendet werden können. Methoden zur Untersuchung und Erzeugung chemischer, elektrischer, magnetischer und optischer Signale, die für extrazelluläre Feldpotentiale und synaptische Übertragung in neuralem Gewebe verantwortlich sind, helfen Forschern bei der Modulation der Aktivität des neuralen Systems (Babb et al. 2008). Um die Eigenschaften der neuronalen Systemaktivität zu verstehen, verwenden Ingenieure Signalverarbeitungstechniken und Computermodellierung (Eliasmith & Anderson 2003). Um diese Signale zu verarbeiten, müssen Neuroingenieure die Spannungen an den neuronalen Membranen in entsprechenden Code übersetzen, ein Prozess, der als neuronale Codierung bekannt ist. Neuronale Kodierungsstudien darüber, wie das Gehirn einfache Befehle in Form von zentralen Mustergeneratoren (CPGs), Bewegungsvektoren, dem zerebellären internen Modell und somatotopischen Karten kodiert, um Bewegungen und sensorische Phänomene zu verstehen. Die Entschlüsselung dieser Signale im Bereich der Neurowissenschaften ist der Prozess, bei dem Neuronen die ihnen übertragenen Spannungen verstehen. Transformationen beinhalten die Mechanismen, bei denen Signale einer bestimmten Form interpretiert und dann in eine andere Form übersetzt werden. Ingenieure versuchen, diese Transformationen mathematisch zu modellieren (Eliasmith & Anderson 2003). Zur Aufzeichnung dieser Spannungssignale gibt es verschiedene Verfahren. Diese können intrazellulär oder extrazellulär sein. Extrazelluläre Methoden umfassen Einzeleinheitsaufzeichnungen, extrazelluläre Feldpotentiale und Amperometrie; in jüngerer Zeit wurden Multielektroden-Arrays verwendet, um Signale aufzuzeichnen und nachzuahmen.

Umfang

Neuromechanik

Neuromechanik ist die Kopplung von Neurobiologie, Biomechanik, Empfindung und Wahrnehmung und Robotik (Edwards 2010). Forscher verwenden fortschrittliche Techniken und Modelle, um die mechanischen Eigenschaften von Nervengewebe und ihre Auswirkungen auf die Fähigkeit des Gewebes, Kräften und Bewegungen standzuhalten und zu erzeugen, sowie seine Anfälligkeit für traumatische Belastungen zu untersuchen (Laplaca & Prado 2010). Dieser Forschungsbereich konzentriert sich darauf, die Transformationen von Informationen zwischen den neuromuskulären und skelettalen Systemen zu übersetzen, um Funktionen und Regeln für den Betrieb und die Organisation dieser Systeme zu entwickeln (Nishikawa et al. 2007). Neuromechanik kann simuliert werden, indem Computermodelle neuronaler Schaltkreise mit Modellen von Tierkörpern in virtuellen physischen Welten verbunden werden (Edwards 2010). Experimentelle Analysen der Biomechanik einschließlich der Kinematik und Dynamik von Bewegungen, des Prozesses und der Muster der motorischen und sensorischen Rückmeldung während des Bewegungsablaufs sowie der Schaltkreise und synaptischen Organisation des Gehirns, die für die motorische Steuerung verantwortlich sind, werden derzeit erforscht, um die Komplexität der Tierbewegungen zu verstehen . Das Labor von Dr. Michelle LaPlaca am Georgia Institute of Technology beschäftigt sich mit der Untersuchung der mechanischen Dehnung von Zellkulturen, der Scherverformung planarer Zellkulturen und der Scherverformung von 3D-Zell enthaltenden Matrizen. Dem Verständnis dieser Prozesse folgt die Entwicklung von Funktionsmodellen, die in der Lage sind, diese Systeme unter geschlossenen Regelkreisbedingungen mit speziell definierten Parametern zu charakterisieren. Das Studium der Neuromechanik zielt darauf ab, die Behandlung von physiologischen Gesundheitsproblemen zu verbessern, einschließlich der Optimierung des Prothesendesigns, der Wiederherstellung der Bewegung nach Verletzungen sowie des Designs und der Steuerung mobiler Roboter. Durch die Untersuchung von Strukturen in 3D-Hydrogelen können Forscher neue Modelle der Mechanoeigenschaften von Nervenzellen identifizieren. LaPlaca et al. ein neues Modell entwickelt, das zeigt, dass Stämme in der Zellkultur eine Rolle spielen können (LaPlaca et al. 2005).

Neuromodulation

Neuromodulation zielt darauf ab, Krankheiten oder Verletzungen zu behandeln, indem Technologien für medizinische Geräte eingesetzt werden, die die Aktivität des Nervensystems durch die Abgabe von pharmazeutischen Wirkstoffen, elektrischen Signalen oder anderen Formen von Energiereizen verstärken oder unterdrücken, um das Gleichgewicht in beeinträchtigten Regionen des Gehirns wiederherzustellen. Forscher auf diesem Gebiet stehen vor der Herausforderung, Fortschritte beim Verständnis neuronaler Signale mit Fortschritten in Technologien zu verknüpfen, die diese Signale mit erhöhter Empfindlichkeit, Biokompatibilität und Lebensfähigkeit in geschlossenen Regelkreisen im Gehirn liefern und analysieren, sodass neue Behandlungen und klinische Anwendungen zur Behandlung entwickelt werden können diejenigen, die an neuralen Schäden verschiedener Art leiden. Neuromodulatoren können Funktionsstörungen des Nervensystems im Zusammenhang mit der Parkinson-Krankheit, Dystonie, Tremor, Tourette, chronischen Schmerzen, Zwangsstörungen, schweren Depressionen und schließlich Epilepsie korrigieren. Neuromodulation ist als Behandlung für verschiedene Defekte attraktiv, da sie sich auf die Behandlung von nur sehr spezifischen Regionen des Gehirns konzentriert, im Gegensatz zu systemischen Behandlungen, die Nebenwirkungen auf den Körper haben können. Neuromodulatorische Stimulatoren wie Mikroelektroden-Arrays können die Gehirnfunktion stimulieren und aufzeichnen und sollen mit weiteren Verbesserungen zu einstellbaren und reaktionsschnellen Abgabevorrichtungen für Medikamente und andere Reize werden.

Neurales Nachwachsen und Reparieren

Neurotechnik und Rehabilitation wendet Neurowissenschaften und Technik an, um die Funktion des peripheren und zentralen Nervensystems zu untersuchen und klinische Lösungen für Probleme zu finden, die durch Hirnschäden oder Fehlfunktionen entstehen. Die auf die Neuroregeneration angewandte Technik konzentriert sich auf die Entwicklung von Geräten und Materialien, die das Wachstum von Neuronen für bestimmte Anwendungen wie die Regeneration von peripheren Nervenverletzungen, die Regeneration des Rückenmarksgewebes bei Rückenmarksverletzungen und die Regeneration von Netzhautgewebe erleichtern. Gentechnik und Gewebezüchtung sind Bereiche, die Gerüste für das Nachwachsen des Rückenmarks entwickeln und so neurologischen Problemen helfen (Schmidt & Leach 2003).

Forschung und Anwendungen

Die Forschung, die sich auf das Neuro-Engineering konzentriert, verwendet Geräte, um die Funktionsweise und Fehlfunktionen des Nervensystems zu untersuchen (Schmidt & Leach 2003).

Neuronale Bildgebung

Neuroimaging- Techniken werden verwendet, um die Aktivität neuronaler Netze sowie die Struktur und Funktion des Gehirns zu untersuchen. Neuroimaging-Technologien umfassen funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRI), Magnetresonanztomographie (MRT), Positronen-Emissions-Tomographie (PET) und Computer-Axial-Tomographie (CAT). Bei funktionellen Neuroimaging-Studien geht es darum, welche Bereiche des Gehirns bestimmte Aufgaben erfüllen. fMRT misst die hämodynamische Aktivität, die eng mit der neuralen Aktivität verbunden ist. Es wird verwendet, um metabolische Reaktionen in bestimmten Regionen des Gehirns auf eine bestimmte Aufgabe oder einen bestimmten Reiz abzubilden. PET, CT-Scanner und Elektroenzephalographie (EEG) werden derzeit verbessert und für ähnliche Zwecke verwendet.

Neuronale Netze

Wissenschaftler können experimentelle Beobachtungen neuronaler Systeme sowie theoretische und computergestützte Modelle dieser Systeme verwenden, um neuronale Netze zu erstellen , in der Hoffnung, neuronale Systeme so realistisch wie möglich zu modellieren. Neuronale Netze können für Analysen verwendet werden, um beim Design weiterer neurotechnologischer Geräte zu helfen. Insbesondere beschäftigen sich die Forscher mit analytischen oder Finite-Elemente-Modellen, um die Bewegungssteuerung des Nervensystems zu bestimmen und diese Techniken anzuwenden, um Patienten mit Hirnverletzungen oder -erkrankungen zu helfen. Künstliche neuronale Netze können aus theoretischen und computergestützten Modellen aufgebaut und auf Computern aus theoretisch Gerätegleichungen oder experimentellen Ergebnissen des beobachteten Verhaltens neuronaler Systeme implementiert werden. Modelle könnten Ionenkonzentrationsdynamik, Kanalkinetik, synaptische Übertragung, Berechnung einzelner Neuronen, Sauerstoffmetabolismus oder Anwendung der dynamischen Systemtheorie darstellen (LaPlaca et al. 2005). Die flüssigkeitsbasierte Template-Assemblierung wurde verwendet, um neuronale 3D-Netzwerke aus mit Neuronen besäten Mikroträgerkügelchen zu konstruieren.

Neuronale Schnittstellen

Neuronale Schnittstellen sind ein wichtiges Element, das zum Studium neuronaler Systeme und zur Verbesserung oder zum Ersatz neuronaler Funktionen durch technisch hergestellte Geräte verwendet wird. Ingenieure stehen vor der Herausforderung, Elektroden zu entwickeln, die selektiv von zugehörigen elektronischen Schaltkreisen aufzeichnen können, um Informationen über die Aktivität des Nervensystems zu sammeln und bestimmte Regionen des Nervengewebes zu stimulieren, um die Funktion oder Empfindung dieses Gewebes wiederherzustellen (Cullen et al. 2011). Die für diese Geräte verwendeten Materialien müssen den mechanischen Eigenschaften des neuralen Gewebes entsprechen, in das sie eingesetzt werden, und der Schaden muss beurteilt werden. Neurale Schnittstellen beinhalten eine vorübergehende Regeneration von Biomaterialgerüsten oder chronischen Elektroden und müssen die Reaktion des Körpers auf Fremdmaterialien steuern. Mikroelektroden-Arrays sind neuere Fortschritte, mit denen neuronale Netze untersucht werden können (Cullen & Pfister 2011). Optische neuronale Schnittstellen beinhalten optische Aufzeichnungen und optogenetische Stimulation, die Gehirnzellen lichtempfindlich macht. Anstelle von Elektroden können zur Stimulation und Aufzeichnung dieser Photonenaktivität Faseroptiken in das Gehirn implantiert werden. Die Zwei-Photonen-Anregungsmikroskopie kann lebende neuronale Netzwerke und die kommunikativen Ereignisse zwischen Neuronen untersuchen.

Gehirn-Computer-Schnittstellen

Gehirn-Computer-Schnittstellen versuchen, direkt mit dem menschlichen Nervensystem zu kommunizieren, um neuronale Schaltkreise zu überwachen und zu stimulieren sowie intrinsische neurologische Dysfunktionen zu diagnostizieren und zu behandeln. Die Tiefe Hirnstimulation ist ein bedeutender Fortschritt auf diesem Gebiet, der insbesondere bei der Behandlung von Bewegungsstörungen wie der Parkinson-Krankheit mit hochfrequenter Stimulation von Nervengewebe zur Unterdrückung von Zittern wirksam ist (Lega et al. 2011).

Mikrosysteme

Neuronale Mikrosysteme können entwickelt werden, um elektrische, chemische, magnetische und optische Signale zu interpretieren und an neuronales Gewebe abzugeben. Sie können Variationen des Membranpotentials erkennen und elektrische Eigenschaften wie Spikepopulation, Amplitude oder Rate messen, indem sie Elektroden verwenden oder chemische Konzentrationen, Fluoreszenzlichtintensität oder Magnetfeldpotential bewerten. Das Ziel dieser Systeme ist es, Signale zu liefern, die das neuronale Gewebepotential beeinflussen und so das Hirngewebe stimulieren, eine gewünschte Reaktion hervorzurufen (He 2005).

Mikroelektroden-Arrays

Mikroelektroden-Arrays sind spezielle Werkzeuge, die verwendet werden, um die starken Spannungsänderungen in der extrazellulären Umgebung zu erkennen, die durch die Ausbreitung eines Aktionspotentials entlang eines Axons auftreten. Dr. Mark Allen und Dr. LaPlaca haben mikrofabrizierte 3D-Elektroden aus zytokompatiblen Materialien wie SU-8 und SLA-Polymeren entwickelt, die zur Entwicklung von In-vitro- und In-vivo-Mikroelektrodensystemen mit den Eigenschaften hoher Compliance und Flexibilität zur Minimierung von Gewebebrüchen geführt haben .

Neuroprothesen

Neuroprothetik sind Geräte, die fehlende Funktionen des Nervensystems ergänzen oder ersetzen können, indem sie das Nervensystem stimulieren und seine Aktivität aufzeichnen. Elektroden, die das Abfeuern von Nerven messen, können in Prothesen integriert werden und ihnen signalisieren, die durch das übertragene Signal beabsichtigte Funktion auszuführen. Sensorische Prothesen verwenden künstliche Sensoren, um neuronale Eingaben zu ersetzen, die möglicherweise aus biologischen Quellen fehlen (He 2005). Ingenieure, die an diesen Geräten forschen, haben den Auftrag, eine chronische, sichere, künstliche Schnittstelle mit neuronalem Gewebe bereitzustellen. Die vielleicht erfolgreichste dieser sensorischen Prothesen ist das Cochlea-Implantat , das Gehörlosen das Hörvermögen wiederhergestellt hat. Sehprothesen zur Wiederherstellung der Sehfähigkeit von Blinden befinden sich noch in elementaren Entwicklungsstadien. Motorprothesen sind Geräte, die an der elektrischen Stimulation des biologischen neuralen Muskelsystems beteiligt sind und die Kontrollmechanismen des Gehirns oder des Rückenmarks ersetzen können. Intelligente Prothesen können so konstruiert werden, dass sie fehlende Gliedmaßen ersetzen, die durch neuronale Signale gesteuert werden, indem Nerven vom Stumpf eines Amputierten in Muskeln transplantiert werden. Sensorische Prothetik liefert sensorisches Feedback, indem sie mechanische Reize von der Peripherie in codierte Informationen umwandelt, die dem Nervensystem zugänglich sind. Auf der Haut platzierte Elektroden können Signale interpretieren und dann die Prothese steuern. Diese Prothesen sind sehr erfolgreich. Funktionelle Elektrostimulation (FES) ist ein System, das darauf abzielt, motorische Prozesse wie Stehen, Gehen und Greifen mit der Hand wiederherzustellen.

Neurorobotik

Neurorobotik beschäftigt sich mit der Verkörperung neuronaler Systeme und der Nachbildung von Bewegungen in mechanischen Maschinen. Neuroroboter werden typischerweise verwendet, um motorische Kontrolle und Fortbewegung, Lern- und Gedächtnisauswahl sowie Wertesysteme und Aktionsauswahl zu untersuchen. Durch das Studium von Neurorobotern in realen Umgebungen können sie leichter beobachtet und bewertet werden, um Heuristiken der Roboterfunktion in Bezug auf ihre eingebetteten neuronalen Systeme und die Reaktionen dieser Systeme auf ihre Umgebung zu beschreiben (Krichmar 2008). Unter Verwendung eines Computermodells der epilektischen Spike-Wave-Dynamik wurde beispielsweise bereits die Wirksamkeit einer Methode zur Simulation der Anfallsbekämpfung durch ein pseudospektrales Protokoll nachgewiesen. Das Computermodell emuliert die Gehirnkonnektivität unter Verwendung einer Magnetresonanztomographie eines Patienten, der an idiopathischer generalisierter Epilepsie leidet. Die Methode war in der Lage, Reize zu erzeugen, die die Anfälle lindern konnten.

Neuralgeweberegeneration

Neurale Geweberegeneration oder Neuroregeneration zielt darauf ab , die Funktion jener Neuronen wiederherzustellen, die bei kleinen Verletzungen und größeren Verletzungen, wie denen durch traumatische Hirnverletzungen, geschädigt wurden. Die funktionelle Wiederherstellung geschädigter Nerven beinhaltet die Wiederherstellung eines kontinuierlichen Weges zur Regeneration von Axonen zum Ort der Innervation. Forscher wie Dr. LaPlaca vom Georgia Institute of Technology suchen nach einer Behandlung für die Reparatur und Regeneration nach Schädel-Hirn- und Rückenmarksverletzungen, indem sie Tissue-Engineering-Strategien anwenden. Dr. LaPlaca untersucht Methoden, die neurale Stammzellen mit einem Gerüst auf der Grundlage eines extrazellulären Matrixproteins kombinieren, um eine minimal-invasive Einbringung in die unregelmäßig geformten Läsionen zu ermöglichen, die sich nach einem traumatischen Insult bilden. Durch die Untersuchung der neuralen Stammzellen in vitro und die Erforschung alternativer Zellquellen, die Entwicklung neuartiger Biopolymere, die in einem Gerüst verwendet werden könnten, und die Untersuchung von Zell- oder Gewebekonstrukt-Transplantaten in vivo in Modellen von traumatischen Hirn- und Rückenmarksverletzungen, zielt das Labor von Dr. LaPlaca darauf ab um optimale Strategien für die Nervenregeneration nach einer Verletzung zu identifizieren.

Aktuelle Ansätze zur klinischen Behandlung

Eine durchgehende chirurgische Naht beschädigter Nervenenden kann kleine Lücken mit autologen Nerventransplantaten reparieren. Bei größeren Verletzungen kann ein autologes Nerventransplantat verwendet werden, das an einer anderen Stelle des Körpers entnommen wurde, obwohl dieses Verfahren zeitaufwändig und teuer ist und zwei Operationen erfordert (Schmidt & Leach 2003). Die klinische Behandlung des ZNS ist kaum verfügbar und konzentriert sich hauptsächlich auf die Reduzierung von Kollateralschäden, die durch Knochenfragmente in der Nähe der Verletzungs- oder Entzündungsstelle verursacht werden. Nachdem die Schwellung der umgebenden Verletzung nachgelassen hat, werden die Patienten einer Rehabilitation unterzogen, damit verbleibende Nerven trainiert werden können, um die fehlende Nervenfunktion in verletzten Nerven auszugleichen. Derzeit existiert keine Behandlung, um die Nervenfunktion von geschädigten ZNS-Nerven wiederherzustellen (Schmidt & Leach 2003).

Engineering-Strategien für die Reparatur

Technische Strategien zur Reparatur von Rückenmarksverletzungen konzentrieren sich auf die Schaffung einer freundlichen Umgebung für die Nervenregeneration. Bisher war nur eine PNS-Nervenschädigung klinisch möglich, aber Fortschritte in der Erforschung genetischer Techniken und Biomaterialien zeigen das Potenzial für SC-Nerven, sich in zulässigen Umgebungen zu regenerieren.

Transplantate

Der Vorteil autologer Gewebetransplantate besteht darin, dass sie aus natürlichen Materialien stammen, die eine hohe Wahrscheinlichkeit der Biokompatibilität aufweisen, während sie gleichzeitig die Nerven strukturell unterstützen, die die Zelladhäsion und -migration fördern (Schmidt & Leach 2003). Nicht autologes Gewebe, azelluläre Transplantate und Materialien auf der Basis extrazellulärer Matrix sind alle Optionen, die auch ein ideales Gerüst für die Nervenregeneration bieten können . Einige stammen aus allogenen oder xenogenen Geweben, die mit Immunsuppressiva kombiniert werden müssen . während andere gehören kleines Darm- Submukosa und Fruchtgewebetransplantate (Schmidt & Leach 2003). Synthetische Materialien sind attraktive Optionen, da ihre physikalischen und chemischen Eigenschaften typischerweise kontrolliert werden können. Eine Herausforderung bei synthetischen Materialien bleibt die Biokompatibilität (Schmidt & Leach 2003). Konstrukte auf Basis von Methylcellulose haben sich als biokompatible Option für diesen Zweck erwiesen (Tate et al. 2001). AxoGen verwendet eine Zelltransplantationstechnologie von AVANCE, um einen menschlichen Nerv nachzuahmen. Es hat sich gezeigt, dass bei 87 Prozent der Patienten mit peripheren Nervenverletzungen eine sinnvolle Erholung erreicht wird.

Nervenleitkanäle

Nervenleitkanäle, Nervenleitkanäle sind innovative Strategien, die sich auf größere Defekte konzentrieren und einen Kanal für das Aussprossen von Axonen bieten, der das Wachstum steuert und die Wachstumshemmung durch Narbengewebe reduziert. Nervenführungskanäle müssen leicht zu einem Conduit mit den gewünschten Abmessungen geformt werden, sterilisierbar, reißfest und einfach zu handhaben und zu vernähen (Schmidt & Leach 2003). Im Idealfall würden sie im Laufe der Zeit mit der Nervenregeneration abgebaut, biegsam, semipermeabel sein, ihre Form behalten und eine glatte Innenwand haben, die der eines echten Nervs nachempfunden ist (Schmidt & Leach 2003).

Biomolekulare Therapien

Zur Förderung der neuralen Regeneration sind hochgradig kontrollierte Abgabesysteme erforderlich . Neurotrophe Faktoren können Entwicklung, Überleben, Wachstum und Verzweigung beeinflussen. Neurotrophine umfassen Nervenwachstumsfaktor (NGF), aus dem Gehirn stammender neurotropher Faktor (BDNF), Neurotrophin-3 (NT-3) und Neurotrophin-4/5 (NT-4/5). Andere Faktoren sind ciliary neurotrophic factor (CNTF), Gliazellen-derived growth factor (GDNF) und sauren und basischen Fibroblasten - Wachstumsfaktor (aFGF, bFGF) , die eine Reihe von neuronalen Antworten zu fördern. (Schmidt & Leach 2003) Fibronektin hat auch gewesen gezeigt, dass es die Nervenregeneration nach SHT bei Ratten unterstützt (Tate et al. 2002). Andere Therapien untersuchen die Regeneration von Nerven durch Hochregulierung von Regenerations-assoziierten Genen (RAGs), neuronalen Zytoskelett-Komponenten und Anti-Apoptose-Faktoren . RAGs umfassen GAP-43 und Cap-23, Adhäsionsmoleküle wie die L1-Familie , NCAM und N-Cadherin (Schmidt & Leach 2003). Es besteht auch die Möglichkeit, inhibitorische Biomoleküle im ZNS aufgrund von Glia-Narben zu blockieren. Einige derzeit untersuchte Behandlungen sind Behandlungen mit Chondroitinase ABC und blockierendem NgR, ADP-Ribose (Schmidt & Leach 2003).

Liefertechniken

Abgabevorrichtungen müssen biokompatibel und in vivo stabil sein. Einige Beispiele umfassen osmotische Pumpen, Silikonreservoirs, Polymermatrizen und Mikrokügelchen. Gentherapietechniken wurden ebenfalls untersucht, um eine langfristige Produktion von Wachstumsfaktoren bereitzustellen und könnten mit viralen oder nicht-viralen Vektoren wie Lipoplexen verabreicht werden. Zellen sind auch wirksame Transportvehikel für ECM-Komponenten, neurotrophe Faktoren und Zelladhäsionsmoleküle. Als Transplantate wurden olfaktorische Umhüllende (OECs) und Stammzellen sowie gentechnisch veränderte Zellen zur Unterstützung der Nervenregeneration verwendet (LaPlaca et al. 2005, Schmidt & Leach 2003, Tate et al. 2002).

Fortgeschrittene Therapien

Fortschrittliche Therapien kombinieren komplexe Führungskanäle und mehrere Stimuli, die sich auf interne Strukturen konzentrieren, die die Nervenarchitektur nachahmen, die interne Matrizen aus längs ausgerichteten Fasern oder Kanälen enthält. Die Herstellung dieser Strukturen kann eine Reihe von Technologien verwenden: magnetische Polymerfaserausrichtung, Spritzgießen, Phasentrennung, Festkörper-Freiformherstellung und Tintenstrahl-Polymerdruck (Schmidt & Leach 2003).

Neuronale Verbesserung

Eine weitere mögliche Anwendung des Neuroengineerings ist die Erweiterung menschlicher neuronaler Systeme oder die Verbesserung des Menschen durch technische Techniken. Es hat sich bereits gezeigt, dass die tiefe Hirnstimulation das Erinnerungsvermögen verbessert, wie von Patienten festgestellt wurde, die diese Behandlung derzeit bei neurologischen Erkrankungen anwenden. Hirnstimulationstechniken werden postuliert, um Emotionen und Persönlichkeiten zu formen sowie die Motivation zu steigern, Hemmungen abzubauen usw., wie es vom Individuum gewünscht wird. Ethische Probleme mit dieser Art von Human Augmentation sind eine neue Reihe von Fragen, mit denen sich Neuroingenieure im Zuge der Entwicklung dieser Studien auseinandersetzen müssen.

Siehe auch

Verweise

Externe Links