الهندسة العصبية

الموسوعة الحرة

الهندسة العصبية (المعروفة أيضًا باسم الهندسة العصبية ) هي تخصص ضمن الهندسة الطبية الحيوية يستخدم تقنيات هندسية لفهم أو إصلاح أو استبدال أو تحسين الأنظمة العصبية. المهندسون العصبيون مؤهلون بشكل فريد لحل مشاكل التصميم عند واجهة الأنسجة العصبية الحية والهياكل غير الحية. [1]

ملخص

يعتمد مجال الهندسة العصبية على مجالات علم الأعصاب الحاسوبي ، وعلم الأعصاب التجريبي، وعلم الأعصاب ، والهندسة الكهربائية ، ومعالجة إشارات الأنسجة العصبية الحية، ويشمل عناصر من الروبوتات ، والسيبرنطيقا ، وهندسة الكمبيوتر ، وهندسة الأنسجة العصبية ، وعلوم المواد ، وتكنولوجيا النانو .

ومن الأهداف البارزة في هذا المجال استعادة وتعزيز الوظيفة البشرية من خلال التفاعلات المباشرة بين الجهاز العصبي والأجهزة الاصطناعية .

يركز الكثير من الأبحاث الحالية على فهم تشفير ومعالجة المعلومات في الأنظمة الحسية والحركية ، وتحديد كيفية تغيير هذه المعالجة في الحالة المرضية ، وكيف يمكن التلاعب بها من خلال التفاعلات مع الأجهزة الاصطناعية بما في ذلك واجهات الدماغ والحاسوب والأطراف الاصطناعية العصبية .

وتتركز الأبحاث الأخرى بشكل أكبر على التحقيق بالتجريب، بما في ذلك استخدام الغرسات العصبية المرتبطة بالتكنولوجيا الخارجية.

علم الديناميكا المائية العصبية هو قسم من الهندسة العصبية الذي يركز على الديناميكا المائية للنظام العصبي.

تاريخ

تعود أصول الهندسة العصبية إلى الفيزيائي والأحياء الإيطالي لويجي جالفاني . اكتشف جالفاني مع رواد مثل إميل دو بوا ريموند أن الإشارات الكهربائية في الأعصاب والعضلات تتحكم في الحركة، وهو ما يمثل أول فهم للطبيعة الكهربائية للدماغ. [2] نظرًا لأن الهندسة العصبية مجال جديد نسبيًا، فإن المعلومات والأبحاث المتعلقة بها محدودة نسبيًا، على الرغم من أن هذا يتغير بسرعة. ظهرت أولى المجلات المخصصة خصيصًا للهندسة العصبية، مجلة الهندسة العصبية ومجلة الهندسة العصبية وإعادة التأهيل، في عام 2004. كما عقد معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات مؤتمرات دولية حول الهندسة العصبية منذ عام 2003، من 29 أبريل حتى 2 مايو 2009 في أنطاليا، تركيا المؤتمر الرابع حول الهندسة العصبية، [3] والمؤتمر الدولي الخامس لمعهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات حول الهندسة العصبية في أبريل / مايو 2011 في كانكون ، المكسيك ، والمؤتمر السادس في سان دييغو ، كاليفورنيا في نوفمبر 2013. وعقد المؤتمر السابع في أبريل 2015 في مونبلييه . وعقد المؤتمر الثامن في مايو 2017 في شنغهاي .

الأساسيات

تتضمن الأساسيات وراء الهندسة العصبية العلاقة بين الخلايا العصبية والشبكات العصبية ووظائف الجهاز العصبي والنماذج القابلة للقياس للمساعدة في تطوير الأجهزة التي يمكنها تفسير الإشارات والتحكم فيها وإنتاج استجابات هادفة.

علم الأعصاب

يتم توجيه الرسائل التي يستخدمها الجسم للتأثير على الأفكار والحواس والحركات والبقاء على قيد الحياة عن طريق النبضات العصبية التي تنتقل عبر أنسجة المخ وإلى بقية الجسم. الخلايا العصبية هي الوحدة الوظيفية الأساسية للجهاز العصبي وهي خلايا متخصصة للغاية قادرة على إرسال هذه الإشارات التي تعمل على وظائف عالية ومنخفضة المستوى مطلوبة للبقاء وجودة الحياة. تتمتع الخلايا العصبية بخصائص كهروكيميائية خاصة تسمح لها بمعالجة المعلومات ثم نقل تلك المعلومات إلى خلايا أخرى. يعتمد النشاط العصبي على جهد الغشاء العصبي والتغيرات التي تحدث على طوله وعبره. يتم الحفاظ على الجهد الثابت، المعروف باسم جهد الغشاء ، عادةً من خلال تركيزات معينة من الأيونات المحددة عبر الأغشية العصبية. تؤدي الاضطرابات أو الاختلافات في هذا الجهد إلى اختلال التوازن أو الاستقطاب عبر الغشاء. يؤدي استقطاب الغشاء بعد جهده العتبي إلى توليد جهد فعل، وهو المصدر الرئيسي لنقل الإشارة، والمعروف باسم النقل العصبي للجهاز العصبي. يؤدي جهد الفعل إلى تدفق متتابع من الأيونات إلى أسفل وعبر غشاء المحور العصبي، مما يؤدي إلى إنشاء سلسلة من نبضات الجهد الكهربي الفعالة أو "الإشارة الكهربائية" التي يمكنها نقل المزيد من التغيرات الكهربائية في الخلايا الأخرى. يمكن توليد الإشارات بواسطة المحفزات الكهربائية والكيميائية والمغناطيسية والبصرية وغيرها من أشكال المحفزات التي تؤثر على تدفق الشحنات، وبالتالي مستويات الجهد الكهربي عبر الأغشية العصبية. [4] [ الصفحات المطلوبة ]

هندسة

يستخدم المهندسون أدوات كمية يمكن استخدامها لفهم الأنظمة العصبية المعقدة والتفاعل معها. تساعد طرق دراسة وتوليد الإشارات الكيميائية والكهربائية والمغناطيسية والبصرية المسؤولة عن إمكانات المجال خارج الخلية والنقل المشبكي في الأنسجة العصبية الباحثين في تعديل نشاط النظام العصبي. [5] لفهم خصائص نشاط النظام العصبي، يستخدم المهندسون تقنيات معالجة الإشارات والنمذجة الحاسوبية. [6] لمعالجة هذه الإشارات، يجب على مهندسي الأعصاب ترجمة الفولتية عبر الأغشية العصبية إلى رمز مطابق، وهي العملية المعروفة باسم الترميز العصبي. تدرس الترميز العصبي كيفية ترميز الدماغ للأوامر البسيطة في شكل مولدات الأنماط المركزية (CPGs)، ومتجهات الحركة، والنموذج الداخلي للمخيخ، والخرائط الجسدية لفهم الحركة والظواهر الحسية. فك تشفير هذه الإشارات في عالم علم الأعصاب هو العملية التي تفهم بها الخلايا العصبية الفولتية التي تم نقلها إليها. تتضمن التحولات الآليات التي يتم بها تفسير إشارات شكل معين ثم ترجمتها إلى شكل آخر. يسعى المهندسون إلى نمذجة هذه التحولات رياضيًا. [6] هناك مجموعة متنوعة من الأساليب المستخدمة لتسجيل إشارات الجهد هذه. يمكن أن تكون داخل الخلايا أو خارجها. تتضمن الأساليب خارج الخلايا تسجيلات الوحدة الفردية، وإمكانات المجال خارج الخلايا ، وقياس التيار الكهربائي؛ وفي الآونة الأخيرة، تم استخدام مجموعات متعددة الأقطاب الكهربائية لتسجيل الإشارات ومحاكاتها.

نِطَاق

الميكانيكا العصبية

الميكانيكا العصبية هي اقتران علم الأعصاب والميكانيكا الحيوية والإحساس والإدراك والروبوتات. [7] يستخدم الباحثون تقنيات ونماذج متقدمة لدراسة الخصائص الميكانيكية للأنسجة العصبية وتأثيراتها على قدرة الأنسجة على تحمل وتوليد القوة والحركات بالإضافة إلى ضعفها في مواجهة التحميل المؤلم. [8] يركز هذا المجال من البحث على ترجمة تحولات المعلومات بين الأنظمة العصبية العضلية والهيكلية لتطوير الوظائف والقواعد الحاكمة المتعلقة بتشغيل وتنظيم هذه الأنظمة. [9] يمكن محاكاة الميكانيكا العصبية من خلال ربط النماذج الحسابية للدوائر العصبية بنماذج أجسام الحيوانات الموجودة في عوالم مادية افتراضية. [7] يتم حاليًا البحث في التحليل التجريبي للميكانيكا الحيوية بما في ذلك حركية وديناميكيات الحركات وعملية وأنماط ردود الفعل الحركية والحسية أثناء عمليات الحركة والتنظيم الدائري والتشابكي للدماغ المسؤول عن التحكم الحركي لفهم تعقيد حركة الحيوانات. يشارك مختبر الدكتورة ميشيل لابلاسا في معهد جورجيا للتكنولوجيا في دراسة التمدد الميكانيكي لمزارع الخلايا، وتشوه القص لمزارع الخلايا المستوية، وتشوه القص لمصفوفات الخلايا ثلاثية الأبعاد التي تحتوي على خلايا. يتبع فهم هذه العمليات تطوير نماذج عاملة قادرة على توصيف هذه الأنظمة في ظل ظروف الحلقة المغلقة بمعلمات محددة بشكل خاص. تهدف دراسة الميكانيكا العصبية إلى تحسين علاجات المشاكل الصحية الفسيولوجية والتي تشمل تحسين تصميم الأطراف الاصطناعية، واستعادة الحركة بعد الإصابة، وتصميم الروبوتات المتحركة والتحكم فيها. من خلال دراسة الهياكل في الهلاميات المائية ثلاثية الأبعاد، يمكن للباحثين تحديد نماذج جديدة لخصائص الخلايا العصبية الميكانيكية. على سبيل المثال، طور لابلاسا وآخرون نموذجًا جديدًا يُظهر أن الإجهاد قد يلعب دورًا في زراعة الخلايا. [10]

تعديل الأعصاب

يهدف تعديل الأعصاب إلى علاج المرض أو الإصابة من خلال استخدام تقنيات الأجهزة الطبية التي من شأنها تعزيز أو قمع نشاط الجهاز العصبي من خلال توصيل العوامل الصيدلانية أو الإشارات الكهربائية أو أشكال أخرى من التحفيز الطاقي لإعادة التوازن في المناطق المتضررة من الدماغ. يواجه الباحثون في هذا المجال تحدي ربط التقدم في فهم الإشارات العصبية بالتقدم في التقنيات التي توصل هذه الإشارات وتحللها بحساسية متزايدة وتوافق حيوي وقابلية للتطبيق في مخططات الحلقات المغلقة في الدماغ بحيث يمكن إنشاء علاجات وتطبيقات سريرية جديدة لعلاج أولئك الذين يعانون من تلف عصبي من أنواع مختلفة. [11] يمكن لأجهزة تعديل الأعصاب تصحيح خلل الجهاز العصبي المرتبط بمرض باركنسون وخلل التوتر العضلي والرعشة ومتلازمة توريت والألم المزمن واضطراب الوسواس القهري والاكتئاب الشديد والصرع في النهاية. [11] يعد تعديل الأعصاب جذابًا كعلاج لعيوب مختلفة لأنه يركز على علاج مناطق محددة للغاية من الدماغ فقط، على النقيض من العلاجات الجهازية التي يمكن أن يكون لها آثار جانبية على الجسم. يمكن لمحفزات تعديل الأعصاب مثل صفائف الأقطاب الكهربائية الدقيقة تحفيز وتسجيل وظائف المخ، ومع المزيد من التحسينات من المفترض أن تصبح أجهزة توصيل قابلة للتعديل والاستجابة للأدوية والمحفزات الأخرى. [12]

إعادة نمو الأعصاب وإصلاحها

تطبق الهندسة العصبية وإعادة التأهيل علم الأعصاب والهندسة للتحقيق في وظائف الجهاز العصبي المحيطي والمركزي وإيجاد حلول سريرية للمشاكل الناجمة عن تلف أو خلل في الدماغ. تركز الهندسة المطبقة على تجديد الأعصاب على هندسة الأجهزة والمواد التي تسهل نمو الخلايا العصبية لتطبيقات محددة مثل تجديد إصابة الأعصاب الطرفية، وتجديد أنسجة الحبل الشوكي لإصابة الحبل الشوكي، وتجديد أنسجة الشبكية. الهندسة الوراثية وهندسة الأنسجة هي مجالات تطوير هياكل لإعادة نمو الحبل الشوكي وبالتالي المساعدة في حل المشاكل العصبية. [11] [13]

البحث والتطبيقات

تستخدم الأبحاث التي تركز على الهندسة العصبية أجهزة لدراسة كيفية عمل الجهاز العصبي وأعطاله. [13]

التصوير العصبي

تُستخدم تقنيات التصوير العصبي للتحقيق في نشاط الشبكات العصبية، وكذلك بنية ووظيفة الدماغ. تشمل تقنيات التصوير العصبي التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي (fMRI)، والتصوير بالرنين المغناطيسي (MRI)، والتصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني (PET)، والتصوير المقطعي المحوري المحوسب (CAT). تهتم دراسات التصوير العصبي الوظيفي بالمناطق التي تؤدي مهام معينة في الدماغ. يقيس التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي النشاط الديناميكي الدموي المرتبط ارتباطًا وثيقًا بالنشاط العصبي. يتم استخدامه لرسم خريطة للاستجابات الأيضية في مناطق معينة من الدماغ لمهمة أو حافز معين. يتم حاليًا تحسين التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي وأجهزة التصوير المقطعي المحوسب وتخطيط كهربية الدماغ (EEG) واستخدامها لأغراض مماثلة. [11]

الشبكات العصبية

يمكن للعلماء استخدام الملاحظات التجريبية للأنظمة العصبية والنماذج النظرية والحسابية لهذه الأنظمة لإنشاء شبكات عصبية على أمل نمذجة الأنظمة العصبية بطريقة واقعية قدر الإمكان. يمكن استخدام الشبكات العصبية للتحليلات للمساعدة في تصميم المزيد من الأجهزة العصبية التكنولوجية. على وجه التحديد، يتعامل الباحثون مع النمذجة التحليلية أو العناصر المحدودة لتحديد سيطرة الجهاز العصبي على الحركات وتطبيق هذه التقنيات لمساعدة المرضى الذين يعانون من إصابات أو اضطرابات في الدماغ. يمكن بناء الشبكات العصبية الاصطناعية من النماذج النظرية والحسابية وتنفيذها على أجهزة الكمبيوتر من معادلات الأجهزة النظرية أو النتائج التجريبية للسلوك الملحوظ للأنظمة العصبية. قد تمثل النماذج ديناميكيات تركيز الأيونات، أو حركية القناة، أو النقل المشبكي، أو حساب العصبون الفردي، أو استقلاب الأكسجين، أو تطبيق نظرية النظام الديناميكي. [10] تم استخدام تجميع القالب القائم على السائل لتصميم شبكات عصبية ثلاثية الأبعاد من حبيبات الناقل الدقيق المزروعة بالخلايا العصبية. [14]

الواجهات العصبية

تعد الواجهات العصبية عنصرًا رئيسيًا يستخدم لدراسة الأنظمة العصبية وتعزيز أو استبدال الوظيفة العصبية بالأجهزة الهندسية. يواجه المهندسون تحديًا يتمثل في تطوير أقطاب كهربائية يمكنها التسجيل بشكل انتقائي من الدوائر الإلكترونية المرتبطة لجمع المعلومات حول نشاط الجهاز العصبي وتحفيز مناطق محددة من الأنسجة العصبية لاستعادة وظيفة أو إحساس تلك الأنسجة (كولين وآخرون 2011). يجب أن تتطابق المواد المستخدمة في هذه الأجهزة مع الخصائص الميكانيكية للأنسجة العصبية التي توضع فيها ويجب تقييم الضرر. تتضمن الواجهة العصبية تجديدًا مؤقتًا لدعامات المواد الحيوية أو الأقطاب الكهربائية المزمنة ويجب أن تدير استجابة الجسم للمواد الغريبة . تعد صفائف الأقطاب الكهربائية الدقيقة من التطورات الحديثة التي يمكن استخدامها لدراسة الشبكات العصبية (كولين وفيستر 2011). تتضمن الواجهات العصبية البصرية التسجيلات البصرية وعلم البصريات الوراثية ، مما يجعل بعض خلايا المخ حساسة للضوء من أجل تعديل نشاطها. يمكن زرع الألياف الضوئية في المخ لتحفيز الخلايا العصبية المستهدفة أو إسكاتها باستخدام الضوء، فضلاً عن تسجيل نشاط الفوتون - وهو وكيل للنشاط العصبي - بدلاً من استخدام الأقطاب الكهربائية. يمكن لمجهر الإثارة ثنائي الفوتون دراسة الشبكات العصبية الحية والأحداث الاتصالية بين الخلايا العصبية. [11]

واجهات الدماغ والحاسوب

تسعى واجهات الدماغ والحاسوب إلى التواصل المباشر مع الجهاز العصبي البشري لمراقبة وتحفيز الدوائر العصبية وكذلك تشخيص وعلاج الخلل العصبي الجوهري. يعد التحفيز العميق للدماغ تقدمًا كبيرًا في هذا المجال وهو فعال بشكل خاص في علاج اضطرابات الحركة مثل مرض باركنسون مع التحفيز عالي التردد للأنسجة العصبية لقمع الرعشة (ليجا وآخرون 2011).

الأنظمة الدقيقة

يمكن تطوير أنظمة عصبية مجهرية لتفسير وتوصيل الإشارات الكهربائية والكيميائية والمغناطيسية والبصرية إلى الأنسجة العصبية. ويمكنها اكتشاف الاختلافات في الجهد الغشائي وقياس الخصائص الكهربائية مثل عدد الأشواك أو السعة أو المعدل باستخدام الأقطاب الكهربائية أو عن طريق تقييم التركيزات الكيميائية أو شدة الضوء الفلوري أو الجهد المجالي المغناطيسي. والهدف من هذه الأنظمة هو توصيل الإشارات التي من شأنها التأثير على الجهد الكهربي للأنسجة العصبية وبالتالي تحفيز أنسجة المخ لاستحضار الاستجابة المرغوبة. [4]

صفائف الميكروإلكترود

تُعد مجموعات الأقطاب الكهربائية الدقيقة أدوات محددة تُستخدم للكشف عن التغيرات الحادة في الجهد في البيئات خارج الخلية والتي تحدث نتيجة لانتشار جهد الفعل على طول المحور العصبي. وقد قام الدكتور مارك ألين والدكتور لابلاكا بتصنيع أقطاب كهربائية ثلاثية الأبعاد من مواد متوافقة مع الخلايا مثل بوليمرات SU-8 وSLA والتي أدت إلى تطوير أنظمة أقطاب كهربائية دقيقة في المختبر وفي الجسم الحي تتميز بخصائص عالية من المرونة والتوافق لتقليل تمزق الأنسجة.

الأطراف الاصطناعية العصبية

إن الأطراف الاصطناعية العصبية هي أجهزة قادرة على استكمال أو استبدال الوظائف المفقودة في الجهاز العصبي عن طريق تحفيز الجهاز العصبي وتسجيل نشاطه. يمكن للأقطاب الكهربائية التي تقيس إطلاق الأعصاب أن تتكامل مع الأجهزة الاصطناعية وتشير إليها لأداء الوظيفة المقصودة بالإشارة المرسلة. تستخدم الأطراف الاصطناعية الحسية أجهزة استشعار اصطناعية لاستبدال المدخلات العصبية التي قد تكون مفقودة من المصادر البيولوجية. [4] المهندسون الذين يبحثون في هذه الأجهزة مكلفون بتوفير واجهة اصطناعية مزمنة وآمنة مع الأنسجة العصبية. ربما يكون أنجح هذه الأطراف الاصطناعية الحسية هو غرسة القوقعة التي أعادت قدرات السمع للصم. لا تزال الأطراف الاصطناعية البصرية لاستعادة القدرات البصرية للأشخاص المكفوفين في مراحل أكثر بدائية من التطوير. الأطراف الاصطناعية الحركية هي أجهزة تشارك في التحفيز الكهربائي للنظام العضلي العصبي البيولوجي والتي يمكن أن تحل محل آليات التحكم في الدماغ أو النخاع الشوكي. يمكن تصميم الأطراف الاصطناعية الذكية لاستبدال الأطراف المفقودة التي يتم التحكم فيها بواسطة الإشارات العصبية عن طريق زرع الأعصاب من جذع مبتور إلى العضلات. توفر الأطراف الاصطناعية الحسية ردود فعل حسية من خلال تحويل المحفزات الميكانيكية من المحيط إلى معلومات مشفرة يمكن الوصول إليها بواسطة الجهاز العصبي. [15] يمكن للأقطاب الكهربائية الموضوعة على الجلد تفسير الإشارات ثم التحكم في الطرف الاصطناعي. كانت هذه الأطراف الاصطناعية ناجحة للغاية. التحفيز الكهربائي الوظيفي (FES) هو نظام يهدف إلى استعادة العمليات الحركية مثل الوقوف والمشي وإمساك اليد. [11]

الروبوتات العصبية

علم الروبوتات العصبية هو دراسة كيفية تجسيد الأنظمة العصبية ومحاكاة الحركات في الآلات الميكانيكية. تُستخدم الروبوتات العصبية عادةً لدراسة التحكم في الحركة والتنقل، واختيار التعلم والذاكرة، وأنظمة القيم واختيار الفعل. من خلال دراسة الروبوتات العصبية في بيئات العالم الحقيقي، يمكن ملاحظتها وتقييمها بسهولة أكبر لوصف القواعد الأساسية لوظيفة الروبوت من حيث أنظمته العصبية المضمنة وردود أفعال هذه الأنظمة تجاه بيئته. [16] على سبيل المثال، باستخدام نموذج حسابي لديناميكيات الموجات الشوكية الصرعية، ثبت بالفعل فعالية طريقة لمحاكاة تخفيف النوبات من خلال بروتوكول طيفي زائف. يحاكي النموذج الحسابي اتصال الدماغ باستخدام الرنين المغناطيسي للتصوير من مريض مصاب بالصرع المعمم مجهول السبب. كانت الطريقة قادرة على توليد محفزات قادرة على تقليل النوبات.

تجديد الأنسجة العصبية

إن تجديد الأنسجة العصبية، أو تجديد الأعصاب، يهدف إلى استعادة وظيفة تلك الخلايا العصبية التي تضررت في الإصابات الصغيرة والإصابات الأكبر مثل تلك الناجمة عن إصابة الدماغ الرضحية. يتضمن الاستعادة الوظيفية للأعصاب التالفة إعادة إنشاء مسار مستمر لتجديد المحاور إلى موقع التعصيب. يتطلع باحثون مثل الدكتور لابلاكا في معهد جورجيا للتكنولوجيا إلى المساعدة في إيجاد علاج للإصلاح والتجديد بعد إصابة الدماغ الرضحية وإصابات الحبل الشوكي من خلال تطبيق استراتيجيات هندسة الأنسجة. يبحث الدكتور لابلاكا في طرق تجمع بين الخلايا الجذعية العصبية مع سقالة تعتمد على بروتين المصفوفة خارج الخلية للتوصيل الأقل توغلاً إلى الآفات ذات الشكل غير المنتظم التي تتشكل بعد إصابة رضحية. من خلال دراسة الخلايا الجذعية العصبية في المختبر واستكشاف مصادر الخلايا البديلة، وهندسة البوليمرات الحيوية الجديدة التي يمكن استخدامها في سقالة، والتحقيق في عمليات زرع الخلايا أو الأنسجة المهندسة في الجسم الحي في نماذج إصابة الدماغ الرضحية والحبل الشوكي، يهدف مختبر الدكتور لابلاكا إلى تحديد الاستراتيجيات المثلى لتجديد الأعصاب بعد الإصابة.

النهج الحالية للعلاج السريري

يمكن للخياطة الجراحية من طرف إلى طرف للأطراف العصبية التالفة إصلاح الفجوات الصغيرة باستخدام الطعوم العصبية الذاتية. بالنسبة للإصابات الأكبر، يمكن استخدام طعم عصبي ذاتي تم حصاده من موقع آخر في الجسم، على الرغم من أن هذه العملية تستغرق وقتًا طويلاً ومكلفة وتتطلب جراحتين. [13] العلاج السريري للجهاز العصبي المركزي متاح بشكل ضئيل ويركز في الغالب على تقليل الأضرار الجانبية الناجمة عن شظايا العظام بالقرب من موقع الإصابة أو الالتهاب. بعد أن يخف التورم المحيط بالإصابة، يخضع المرضى لإعادة التأهيل حتى يمكن تدريب الأعصاب المتبقية للتعويض عن نقص وظيفة الأعصاب في الأعصاب المصابة. لا يوجد علاج حاليًا لاستعادة وظيفة الأعصاب في الجهاز العصبي المركزي التي تضررت.

استراتيجيات الهندسة للإصلاح

تركز الاستراتيجيات الهندسية لإصلاح إصابة الحبل الشوكي على خلق بيئة مناسبة لتجديد الأعصاب. لم يكن من الممكن سريريًا حتى الآن سوى تلف الأعصاب الطرفية ، لكن التقدم في أبحاث التقنيات الجينية والمواد الحيوية يثبت إمكانية تجديد الأعصاب ذات النخاع الشوكي في البيئات المسموح بها.

الطعوم

تتمثل مزايا الطعوم النسيجية الذاتية في أنها تأتي من مواد طبيعية ذات احتمالية عالية للتوافق الحيوي مع توفير الدعم الهيكلي للأعصاب التي تشجع التصاق الخلايا والهجرة. [13] الأنسجة غير الذاتية والطعوم اللاخلوية والمواد القائمة على المصفوفة خارج الخلية كلها خيارات قد توفر أيضًا سقالة مثالية لتجديد الأعصاب . يأتي بعضها من أنسجة متماثلة أو غريبة يجب دمجها مع مثبطات المناعة . بينما يشمل البعض الآخر الغشاء المخاطي المعوي الدقيق وطعوم الأنسجة الأمينوسية. تعد المواد الاصطناعية خيارات جذابة لأنه يمكن التحكم في خصائصها الفيزيائية والكيميائية عادةً. التحدي الذي يظل قائمًا مع المواد الاصطناعية هو التوافق الحيوي . لقد ثبت أن التركيبات القائمة على ميثيل السليلوز هي خيار متوافق حيويًا يخدم هذا الغرض. [17] تستخدم AxoGen تقنية طعوم الخلايا AVANCE لمحاكاة العصب البشري. وقد ثبت أنها تحقق تعافيًا ذا مغزى في 87 بالمائة من المرضى الذين يعانون من إصابات في الأعصاب الطرفية. [18]

قنوات التوجيه العصبي

قنوات توجيه الأعصاب، قنوات توجيه الأعصاب هي استراتيجيات مبتكرة تركز على العيوب الأكبر التي توفر قناة لإنبات المحاور لتوجيه النمو وتقليل تثبيط النمو من الأنسجة الندبية. يجب تشكيل قنوات توجيه الأعصاب بسهولة في قناة بالأبعاد المرغوبة، وقابلة للتعقيم، ومقاومة للتمزق، وسهلة التعامل والخياطة. [13] من الناحية المثالية، يجب أن تتدهور بمرور الوقت مع تجديد الأعصاب، وأن تكون مرنة، وشبه نافذة، وتحافظ على شكلها، وأن يكون لها جدار داخلي أملس يحاكي جدار العصب الحقيقي.

العلاجات الجزيئية الحيوية

هناك حاجة إلى أنظمة توصيل عالية التحكم لتعزيز تجديد الأعصاب . يمكن أن تؤثر العوامل العصبية على التطور والبقاء والنمو والتفرع. تشمل العوامل العصبية عامل نمو الأعصاب (NGF) وعامل التغذية العصبية المشتق من الدماغ (BDNF) والنيوروتروفين 3 (NT-3) والنيوروتروفين 4/5 (NT-4/5). العوامل الأخرى هي عامل التغذية العصبية الهدبي (CNTF) وعامل النمو المشتق من خط الخلايا الدبقية (GDNF) وعامل نمو الخلايا الليفية الحمضي والقاعدي (aFGF، bFGF) التي تعزز مجموعة من الاستجابات العصبية. [13] وقد ثبت أيضًا أن الفيبرونيكتين يدعم تجديد الأعصاب بعد إصابة الدماغ المؤلمة لدى الفئران. [19] تبحث العلاجات الأخرى في تجديد الأعصاب عن طريق زيادة تنظيم الجينات المرتبطة بالتجديد (RAGs) والمكونات الهيكلية الخلوية العصبية وعوامل مكافحة موت الخلايا المبرمج. تشمل RAGs جزيئات الالتصاق GAP-43 وCap-23 مثل عائلة L1 و NCAM و N-cadherin . هناك أيضًا إمكانية منع الجزيئات الحيوية المثبطة في الجهاز العصبي المركزي بسبب ندبات الخلايا الدبقية. بعض العلاجات التي يتم دراستها حاليًا هي علاجات باستخدام chondroitinase ABC وحجب NgR وADP-ribose. [13]

تقنيات التسليم

يجب أن تكون أجهزة التوصيل متوافقة حيوياً ومستقرة في الجسم الحي. تشمل بعض الأمثلة المضخات التناضحية وخزانات السيليكون ومصفوفات البوليمر والكرات الدقيقة. تمت دراسة تقنيات العلاج الجيني أيضًا لتوفير إنتاج طويل الأمد لعوامل النمو ويمكن توصيلها باستخدام ناقلات فيروسية أو غير فيروسية مثل الليبوبلكس. تعد الخلايا أيضًا مركبات توصيل فعالة لمكونات ECM وعوامل التغذية العصبية وجزيئات التصاق الخلايا. تم استخدام الخلايا المغلفة للشم (OECs) والخلايا الجذعية بالإضافة إلى الخلايا المعدلة وراثيًا كزرع لدعم تجديد الأعصاب. [10] [13] [19]

العلاجات المتقدمة

تجمع العلاجات المتقدمة بين قنوات التوجيه المعقدة والمحفزات المتعددة التي تركز على الهياكل الداخلية التي تحاكي بنية العصب التي تحتوي على مصفوفات داخلية من الألياف أو القنوات المحاذية طوليًا. يمكن تصنيع هذه الهياكل باستخدام عدد من التقنيات: محاذاة الألياف البوليمرية المغناطيسية، والقولبة بالحقن، وفصل الطور، والتصنيع الحر الصلب، والطباعة بالبوليمر باستخدام نفث الحبر. [13]

تعزيز الأعصاب

إن تعزيز الأنظمة العصبية البشرية، أو تحسين الإنسان باستخدام تقنيات الهندسة، هو تطبيق آخر محتمل للهندسة العصبية. وقد ثبت بالفعل أن التحفيز العميق للدماغ يعزز من استرجاع الذاكرة كما لاحظ المرضى الذين يستخدمون هذا العلاج حاليًا للاضطرابات العصبية. ومن المفترض أن تكون تقنيات تحفيز الدماغ قادرة على تشكيل المشاعر والشخصيات بالإضافة إلى تعزيز الدافع وتقليل الموانع، وما إلى ذلك حسب طلب الفرد. إن القضايا الأخلاقية المتعلقة بهذا النوع من التعزيز البشري تشكل مجموعة جديدة من الأسئلة التي يتعين على مهندسي الأعصاب التعامل معها مع تطور هذه الدراسات. [11]

انظر أيضا

مراجع

  1. ^ هيتلينج، جونيور (15 سبتمبر 2008). "تعليق على "ما هي الهندسة العصبية؟"". مجلة الهندسة العصبية . 5 (3): 360-361. doi :10.1088/1741-2560/5/3/N01. PMID  18756032.
  2. ^ Piccolino, M. (1998-07-15). "الكهرباء الحيوانية وميلاد علم وظائف الأعضاء الكهربائية: إرث لويجي جالفاني". نشرة أبحاث الدماغ . 46 (5): 381-407. doi :10.1016/s0361-9230(98)00026-4. ISSN  0361-9230. PMID  9739001.
  3. ^ جمعية الهندسة في الطب والأحياء؛ معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات؛ المؤتمر الدولي لمعهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات/EMBS حول الهندسة العصبية؛ NER (1 يناير 2009). المؤتمر الدولي الرابع لمعهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات/EMBS حول الهندسة العصبية، 2009: NER'09؛ أنطاليا، تركيا، 29 أبريل - 2 مايو 2009. معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات. OCLC  837182279.
  4. ^ abc He, Bin (2005). Neural engineering. Bioelectric Engineering (طبعة واحدة). New York: Kluwer Academic/Plenum. doi :10.1007/b112182. ISBN 978-0-306-48610-4.
  5. ^ باب، توني جي؛ ويريك، بريندا إل؛ ديلوري، دارين إس؛ تشيس، بول جيه؛ فينج، مابل واي (أكتوبر 2008). "توزيع الدهون وحجم الرئة عند نهاية الزفير لدى الرجال والنساء النحيفين والسمينين". مجلة الصدر . 134 (4): 704-711. doi :10.1378/chest.07-1728. PMID  18641101.
  6. ^ ab Eliasmith, Chris; Anderson, Charles H. (2004). Neural engineering: computational, represent, and dynamics in neurobiological systems (1. MIT Press paperback ed.). Cambridge, Mass.: MIT Press. p. 356. ISBN 9780262550604.
  7. ^ ab Edwards, Donald H. (2010). "المحاكاة العصبية الميكانيكية". Frontiers in Behavioral Neuroscience . 4. doi : 10.3389/fnbeh.2010.00040 . PMC 2914529. PMID 20700384  . 
  8. ^ لابلاسا، ميشيل سي؛ برادو، جوستافو ر. (يناير 2010). "الميكانيكا العصبية والضعف العصبي للحمل المؤلم". مجلة الميكانيكا الحيوية . 43 (1): 71-78. doi :10.1016/j.jbiomech.2009.09.011. PMID  19811784.
  9. ^ Nishikawa, K.; Biewener, AA; Aerts, P.; Ahn, AN; Chiel, HJ; Daley, MA; Daniel, TL; Full, RJ; Hale, ME; Hedrick, TL; Lappin, AK; Nichols, TR; Quinn, RD; Satterlie, RA; Szymik, B. (10 مايو 2007). "ميكانيكا الأعصاب: نهج تكاملي لفهم التحكم الحركي". علم الأحياء التكاملي والمقارنة . 47 (1): 16-54. doi : 10.1093/icb/icm024 . PMID  21672819.
  10. ^ abc LaPlaca, Michelle C.; Cullen, D.Kacy; McLoughlin, Justin J.; Cargill, Robert S. (مايو 2005). "الإجهاد القصي عالي المعدل لثقافات الخلايا العصبية ثلاثية الأبعاد: نموذج جديد لإصابات الدماغ الرضحية في المختبر". مجلة الميكانيكا الحيوية . 38 (5): 1093-1105. doi :10.1016/j.jbiomech.2004.05.032. PMID  15797591.
  11. ^ abcdefg Potter S. 2012. NeuroEngineering: Neuroscience - Applied. في TEDxGeorgiaTech: فيديو TEDx على YouTube
  12. ^ Sofatzis, Tia (2016-12-12). "حول التعديل العصبي". الصفحة الرئيسية . تم الاسترجاع في 2017-06-09 .
  13. ^ abcdefghi Schmidt, Christine E.; Leach, Jennie Baier (August 2003). "هندسة الأنسجة العصبية: استراتيجيات الإصلاح والتجديد". المراجعة السنوية للهندسة الطبية الحيوية . 5 (1): 293–347. doi :10.1146/annurev.bioeng.5.011303.120731. PMID  14527315.
  14. ^ تشن، بو؛ لوه، تشنغ يوان؛ جوفين، سنان؛ تاس أوغلو، سافاس؛ غانيسان، أدارش فينكاتارامان؛ وينج، أندرو؛ ديميرسي، أوتكان (2014-06-23). ​​"التجميع على نطاق صغير موجه بواسطة قالب قائم على السائل". المواد المتقدمة . 26 (34): 5936-5941. رمز Bibcode :2014AdM....26.5936C. doi :10.1002/adma.201402079. ISSN  0935-9648. PMC 4159433. PMID 24956442  . 
  15. ^ لوكاس، تيموثي هـ.؛ ليو، شيلين؛ تشانغ، ميلين؛ سريثاران، سري؛ بلانيل مينديز، إيفيت؛ جينبوت، يوهانيس؛ توريس مالدونادو، سوليمار؛ براندون، كاميرون؛ فان دير شبيجل، جان؛ ريتشاردسون، أندرو جي. (2017-09-01). "استراتيجيات لواجهات الاستشعار والدماغ المستقلة لإعادة الإنعاش الحسي ذي الحلقة المغلقة للأطراف المشلولة". جراحة الأعصاب . 64 (CN_suppl_1): 11-20. doi :10.1093/neuros/nyx367. ISSN  0148-396X. PMC 6937092. PMID 28899065  . 
  16. ^ Krichmar, Jeff (2008-03-31). "Neurorobotics". Scholarpedia . 3 (3): 1365. Bibcode :2008SchpJ...3.1365K. doi : 10.4249/scholarpedia.1365 . ISSN  1941-6016.
  17. ^ تيت، م (مايو 2001). "التوافق الحيوي للمركبات القائمة على ميثيل السليلوز المصممة للتخثر داخل المخ بعد إصابة دماغية رضحية تجريبية". المواد الحيوية . 22 (10): 1113-1123. doi :10.1016/s0142-9612(00)00348-3. PMID  11352091.
  18. ^ "نشر نتائج سريرية لعملية ترقيع الأعصاب المتقدمة". مكتبة مجانية على الإنترنت . 2015-01-01 . تم الاسترجاع في 2017-06-09 .[ رابط ميت دائم ]
  19. ^ ab Tate, Matthew C.; Shear, Deborah A.; Hoffman, Stuart W.; Stein, Donald G.; Archer, David R.; Laplaca, Michelle C. (April 2002). "Fibronectin promotes Survival and Migration of Primary Neural Stem Cells Transplanted into the Traumatically Injured Mouse Brain". Cell Transplantation . 11 (3): 283–295. doi :10.3727/096020198389933. PMID  12075994.
  • كولين، دي كيه؛ فيستر، بي (2011). "أحدث التطورات والتحديات المستقبلية في الهندسة العصبية: الواجهات العصبية: مقدمة / تعليق المحررين (المجلد 1)". Crit Rev Biomed Eng . 39 (1): 1–3. doi :10.1615/critrevbiomedeng.v39.i1.10. PMID  21488811.
  • كولين، دي كيه؛ وولف، جيه إيه؛ وفيرنيكار، في إن؛ وفوكاسينوفيتش، جيه؛ ولابلاكا، إم سي (2011). "هندسة الأنسجة العصبية والأنظمة الدقيقة المهجنة بيولوجيًا للتحقيق العصبي الحيوي في المختبر (الجزء 1)". Crit Rev Biomed Eng . 39 (3): 201–40. doi :10.1615/critrevbiomedeng.v39.i3.30. PMID  21967303.
  • Durand, DM (2007). "الهندسة العصبية - تخصص جديد لتحليل الجهاز العصبي والتفاعل معه". Methods Inf Med . 46 (2): 142–6. doi :10.1055/s-0038-1625395. PMID  17347744. S2CID  19213196.
  • آيرونز، هيلاري آر؛ كولين، دي كاسي؛ شابيرو، نيكولاس بي؛ لامبرت، نيفين إيه؛ لي، روبرت إتش؛ لابلاكا، ميشيل سي (2008-08-28). "الهياكل العصبية ثلاثية الأبعاد: منصة جديدة للتحقيق في وظائف الأعصاب". مجلة الهندسة العصبية . 5 (3): 333-341. رمز Bibcode : 2008JNEng...5..333I. doi : 10.1088/1741-2560/5/3/006. ISSN  1741-2560. PMID  18756031. S2CID  17476077.
  • Serruya, Mijail D.; Lega, Bradley C.; Zaghloul, Kareem (2011). "Brain-Machine Interfaces: Electrophysiological Challenges and Limitations". Critical Reviews in Biomedical Engineering . 39 (1): 5–28. doi :10.1615/critrevbiomedeng.v39.i1.20. ISSN  0278-940X. PMID  21488812. S2CID  5712065.
  • دي لورينزو، دانييل (2008). هندسة الأعصاب (باللغة الهولندية). بوكا راتون: مطبعة سي آر سي. رقم ISBN 978-0-8493-8174-4.
  • التعديل العصبي الجراحي: المجلد 1: جراحة الأعصاب الاصطناعية الوظيفية. مقدمة (2007) ISBN 978-3-211-33078-4 
  • التحفيز العميق للدماغ لعلاج مرض باركنسون (2007) ISBN 978-0-8493-7019-9 
  • دليل جراحة الأعصاب الوظيفية والتجسيمية (2003) ISBN 978-0-8247-0720-0 
  • الأطراف الاصطناعية العصبية: دراسات أساسية (1990) ISBN 978-0-13-615444-0 
  • دليل IEEE للهندسة العصبية (2007) ISBN 978-0-470-05669-1 
  • أساسيات علم وظائف الأعصاب الخلوية (1995) ISBN 978-0-262-10053-3 
  • تايلور، بي إن؛ توماس، جيه؛ سينها، إن؛ دويلز، جيه؛ كايزر، إم؛ ثيسن، تي؛ روثس، جيه (2015). "السيطرة المثلى على النوبات باستخدام الاتصال المستمد من المريض". فرونتيرز في علوم الأعصاب . 9 : 202. doi : 10.3389/fnins.2015.00202 . PMC  4453481. PMID  26089775 .
يوجد في ويكيميديا ​​كومنز وسائط متعددة متعلقة بـ الهندسة العصبية .
  • معاملات معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات في مجال الهندسة الطبية الحيوية
  • معاملات معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات في الأنظمة العصبية وهندسة إعادة التأهيل
  • مجلة الهندسة العصبية
  • مجلة JNER للهندسة العصبية وإعادة التأهيل
  • مجلة علم وظائف الأعصاب أرشيف 2017-11-23 على موقع واي باك مشين
Retrieved from "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Neural_engineering&oldid=1253038327"
Original text
Rate this translation
Your feedback will be used to help improve Google Translate