Elektrická mozková stimulace je forma mozkové stimulace pomocí mikroelektrod.
Elektrody se používají ke spojení s dráždivou tkání, aby buď obnovily vjemy, jako je kochleární implantát pro sluch, nebo ovládaly orgán, jako je srdeční kardiostimulátor.
Neurostimulační technologie zlepšuje kvalitu života těch, kteří jsou těžce paralyzováni nebo trpí hlubokými ztrátami různých smyslových orgánů. Slouží jako klíčová část nervových protéz pro naslouchátka, umělé vidění, umělé končetiny a rozhraní mozek-stroj. V případě nervové stimulace se využívá většinou elektrická stimulace a přijímají se nábojově vyvážené dvoufázové konstantní proudové vlny nebo kapacitně vázané nábojové injekční přístupy. Alternativně byla navržena transkraniální magnetická stimulace jako neinvazivní metoda, při níž magnetické pole vyvolává neurostimulaci.
Primární poznatky o stimulaci vznikly z myšlenky stimulovat nervy k terapeutickým účelům. První zaznamenané využití elektrické stimulace k úlevě od bolesti sahá až do roku 46 našeho letopočtu, kdy Scribonius Largus používal torpédovou rybu (elektrický paprsek) k úlevě od bolesti hlavy. Na konci 18. století Luigi Galvani objevil, že svaly mrtvých žabích stehýnek sebou škubaly, když je zasáhl přímý proud na nervový systém. Modulace mozkové aktivity elektrickou stimulací motorické kůry u psů byla prokázána v roce 1870, což mělo za následek pohyb končetin. Od konce 18. století do dneška bylo vyvinuto mnoho milníků. V dnešní době jsou široce používána smyslová protetická zařízení, jako jsou vizuální implantáty, kochleární implantáty, sluchové implantáty středního mozku a stimulátory míchy a také motorická protetická zařízení, jako jsou hluboké mozkové stimulátory, mikrostimulátory Bion, ovládání mozku a snímací rozhraní a srdeční elektrostimulační zařízení.
Stimulace mozku má potenciál léčit některé poruchy, jako je epilepsie. Při této metodě se plánovaná stimulace aplikuje na specifické kortikální nebo subkortikální cíle. K dispozici jsou komerční zařízení, která mohou v plánovaných časových intervalech dodat elektrický impuls. Plánovaná stimulace je hypoteticky upravena tak, aby měnila vnitřní neurofyziologické vlastnosti epileptických sítí. Nejprozkoumanějšími cíli pro plánovanou stimulaci jsou přední jádro thalamu a hipokampus. Přední jádro thalamu bylo zkoumáno, což prokázalo významné snížení záchvatů pomocí stimulátoru „zapnuto“ oproti „vypnuto“ během několika měsíců po implantaci stimulátoru. Navíc může být klastrová bolest hlavy (CH) léčena pomocí dočasné stimulační elektrody na sfenopalatinovém ganglionu (SPG). Úleva od bolesti je při této metodě hlášena během několika minut po stimulaci. Aby se předešlo použití implantovaných elektrod, vědci navrhli způsoby, jak vepsat „okénko“ ze zirkonie, které bylo upraveno tak, aby bylo průhledné a implantováno do myších lebek, aby optické vlny mohly pronikat hlouběji, jako v optogenetice, a stimulovat nebo inhibovat jednotlivé neurony.
Hluboká mozková stimulace (DBS)
Hluboká mozková stimulace (DBS) prokázala přínos u pohybových poruch, jako je Parkinsonova choroba, třes a dystonie a afektivní poruchy, jako je deprese, obsedantně-kompulzivní porucha, Touretteův syndrom, chronická bolest a klastrová bolest hlavy. Protože DBS může přímo kontrolovaným způsobem měnit mozkovou aktivitu, používá se k mapování základních mechanismů mozkových funkcí spolu s neurozobrazovacími metodami. Jednoduchý systém DBS se skládá ze dvou různých částí. Za prvé jsou do mozku implantovány drobné mikroelektrody, které doručují stimulační pulzy do tkáně. Za druhé generátor elektrických pulzů (PG) generuje stimulační pulzy, které jsou připojeny k elektrodám prostřednictvím mikrodrátů.
Fyziologické vlastnosti mozkové tkáně, které se mohou měnit s onemocněním, stimulační parametry, které zahrnují amplitudovou a časovou charakteristiku a geometrickou konfiguraci elektrody a okolní tkáně, to vše jsou parametry, na kterých závisí DBS normálního i nemocného mozku. Navzdory obrovskému množství studií o DBS není mechanismus jeho působení stále dobře pochopen.
Vývoj mikroelektrod DBS je stále náročný.
Stimulace míchy (SCS)
rTMS u hlodavce. Z knihy Oscar Arias-Carrión, 2008
Transkraniální magnetická stimulace (TMS)
Ve srovnání s elektrickou stimulací, která využívá krátký, vysokonapěťový elektrický šok k aktivaci neuronů, které mohou potenciálně aktivovat bolestivá vlákna, byla v roce 1985 vyvinuta Bakerovou transkraniální magnetická stimulace (TMS). TMS používá magnetický drát nad pokožkou hlavy, který nese ostrý a vysokoproudý puls. Časová varianta magnetického podání je indukována kolmo na cívku díky aplikovanému pulsu, který následně generuje elektrické pole na základě Maxwellova zákona. Elektrické pole poskytuje potřebný proud pro neinvazivní a mnohem méně bolestivou stimulaci. Existují dvě TMS zařízení nazývaná jednopulzní TMS a opakovací pulsní TMS (rTMS), zatímco posledně jmenované má větší účinek, ale potenciál vyvolat záchvat. TMS lze použít pro terapii zejména v psychiatrii, jako nástroj k měření centrálního motorického vedení a výzkumný nástroj ke studiu různých aspektů fyziologie lidského mozku, jako jsou motorické funkce, zrak a jazyk. Metoda rTMS byla použita k léčbě epilepsie s frekvencí 8–25 Hz po dobu 10 sekund. Mezi další terapeutické využití rTMS patří parkinsonská onemocnění, dystonie a nemoci nálady. TMS lze také použít ke stanovení příspěvku kortikálních sítí ke specifickým kognitivním funkcím narušením činnosti v ohniskové oblasti mozku. Brzké, neprůkazné, výsledky byly získány při zotavování z kómatu (perzistentního vegetativního stavu) podle Pape a kol. (2009).
Kochleární implantáty poskytly k roku 2008 částečný sluch více než 120 000 osobám na celém světě. Elektrická stimulace se používá v kochleárním implantátu k zajištění funkčního sluchu u zcela ohluchlých osob. Kochleární implantáty zahrnují několik subsystémových komponent od externího řečového procesoru a radiofrekvenčního (RF) přenosového spojení s vnitřním přijímačem, stimulátorem a poli elektrod. Moderní výzkum kochleárních implantátů byl zahájen v 60. a 70. letech 20. století. V roce 1961 bylo dvěma neslyšícím pacientům implantováno hrubé zařízení s jednou elektrodou a byl hlášen užitečný sluch s elektrickou stimulací. První kompletní jednokanálové zařízení schválené úřadem FDA bylo vydáno v roce 1984.
V kochleárních implantátech je zvuk zachycen mikrofonem a přenesen do zevního procesoru za uchem, který má být převeden na digitální data. Digitalizovaná data jsou pak modulována na radiofrekvenčním signálu a přenesena na anténu uvnitř sluchátka. Data a nosič energie jsou přenášeny přes dvojici spřažených cívek do hermeticky uzavřené vnitřní jednotky. Extrakcí energie a demodulací dat jsou do kochley vysílány příkazy elektrického proudu pro stimulaci sluchového nervu pomocí mikroelektrod. Klíčovým bodem je, že vnitřní jednotka nemá baterii a měla by být schopna získat požadovanou energii. Také pro snížení infekce jsou data přenášena bezdrátově spolu s napájením. Induktivně spřažené cívky jsou nejlepším kandidátem pro výkonovou a datovou telemetrii. Parametry, které vnitřní jednotka potřebuje, zahrnují amplitudu pulsu, délku pulsu, pulsní mezeru, aktivní elektrodu a návratovou elektrodu, které se používají k definování dvoufázového pulsu a režimu stimulace. Příkladem komerčních zařízení je zařízení Nucleus 22, které využívalo nosnou frekvenci 2,5 MHz a později v novější revizi nazvané Nucleus 24 device, byla nosná frekvence zvýšena na 5 MHz. Vnitřní jednotkou v kochleárních implantátech je ASIC (Application-specific integrated circuit) čip, který je zodpovědný za zajištění bezpečné a spolehlivé elektrické stimulace. Uvnitř ASIC čipu je dopředná dráha, zpětná dráha a řídicí jednotky. Dopředná dráha získává digitální informace z RF signálu, který zahrnuje stimulační parametry a některé handshaking bity pro snížení komunikační chyby. Zpětná dráha obvykle zahrnuje zpětný telemetrický
vzorkovač napětí, který čte napětí po určitou dobu na záznamové elektrodě. Stimulátorový blok je zodpovědný za dodávání předem určeného proudu externí jednotkou do mikroelektrod. Tento blok zahrnuje referenční proud a digitální na analogový převodník pro transformaci digitálních příkazů na analogový proud.
Vizuální kortikální implantát
Teoretické a experimentální klinické důkazy naznačují, že přímá elektrická stimulace sítnice by mohla být schopna poskytnout určité vidění subjektům, které ztratily fotoreceptivní prvky své sítnice. Proto se vyvíjejí vizuální protézy, které pomocí stimulace obnovují zrak pro nevidomé. V závislosti na tom, na které místo vizuální dráhy je zaměřena nervová stimulace, byly zvažovány různé přístupy. Vizuální dráha se skládá hlavně z oka, optického nervu, laterálního genikulového jádra (LGN) a zrakové kůry. Proto je stimulace sítnice, optického nervu a zrakové kůry třemi různými metodami používanými ve vizuálních protézách.
Retinální degenerativní onemocnění, jako je retinitis pigmentosa (RP) a věkem podmíněná makulární degenerace (AMD), jsou dvěma pravděpodobnými kandidáty onemocnění, u kterých může být stimulace sítnice užitečná. Tři přístupy nazývané intraokulární epiretinální, subretinální a extraokulární transretinální stimulace jsou prováděny v sítnicových přístrojích, které stimulují zbývající retinální nervové buňky k bypassu ztracených fotoreceptorů a umožňují vizuálnímu signálu dostat se do mozku normální vizuální dráhou. Při epiretinálním přístupu jsou elektrody umístěny na horní straně sítnice v blízkosti gangliových buněk, zatímco elektrody jsou umístěny pod sítnicí v subretinálních přístupech. Konečně, zadní sklerální povrch oka je místem, ve kterém jsou umístěny extraokulární přibližovací elektrody. Second Sight a Humayunova skupina v USC jsou nejaktivnějšími skupinami v návrhu intraokulárních retinálních protéz. ArgusTM 16 retinální implantát je intraokulární retinální protéza využívající technologie zpracování videa.
Pokud jde o stimulaci zrakové kůry, Brindley a Dobelle byli prvními, kteří provedli experimenty a prokázali, že stimulací zrakové kůry může většina elektrod vyvolat zrakový vjem.
Kardiostimulátor, měřítko v centimetrech
LGN, která je umístěna ve středním mozku a přenáší signály ze sítnice do zrakové kůry, je další potenciální oblastí, která může být využita pro stimulaci. Tato oblast má však omezený přístup kvůli chirurgickým potížím. Nedávný úspěch technik hluboké stimulace mozku zaměřených na střední mozek podnítil výzkum, aby se zaměřil na přístup stimulace LGN pro vizuální protézu.
Srdeční elektrostimační přístroje
Implantovatelné kardiostimulátory byly poprvé navrženy v roce 1959 a od té doby se staly sofistikovanějšími. Terapeutická aplikace kardiostimulátorů se skládá z četných poruch rytmu včetně některých forem tachykardie (příliš rychlý srdeční tep), srdečního selhání, a dokonce mrtvice. Rané implantabilní kardiostimulátory fungovaly jen krátce a potřebovaly pravidelné dobíjení indukční linkou. Tyto implantabilní kardiostimulátory potřebovaly kromě elektrod ještě pulzní generátor pro stimulaci srdečních svalů s určitou frekvencí. Dnes jsou moderní pulzní generátory naprogramovány neinvazivně sofistikovanými počítačovými stroji pomocí RF, které získávají informace o stavu pacienta a zařízení telemetrií. Také používají jako baterii jeden hermeticky uzavřený lithium-jodidový (LiI) článek. Obvod kardiostimulátoru zahrnuje smyslové zesilovače pro detekci vnitřních elektrických signálů srdce, které se používají ke sledování srdeční aktivity, rychlostních adaptivních obvodů, které určují potřebu zvýšené nebo snížené pacingové rychlosti, mikroprocesor, paměť pro uložení parametrů, řízení telemetrie pro komunikační protokol a napájecí zdroje pro zajištění regulovaného napětí.
Stimulace Microelectrode Technologies
Mikroelektrody jsou jednou z klíčových složek neurostimulace, které dodávají proud do neuronů. Typické mikroelektrody mají tři hlavní složky: substrát („nosič“), vodivou kovovou vrstvu a izolační materiál. V kochleárních implantátech jsou mikroelektrody tvořeny ze slitiny platiny a iridia. Nejmodernější elektrody zahrnují hlubší vložení, aby lépe ladilo tonotopické místo stimulace s frekvenčním pásmem přiřazeným ke každému elektrodovému kanálu, čímž se zlepšuje účinnost stimulace a snižuje trauma související s vložením. Tyto kochleární implantátové elektrody jsou buď přímé, nebo spirální, jako jsou mikroelektrody Med El Combi 40+ a Advanced Bionics Helix.
Ve vizuálních implantátech existují dva typy elektrodových polí nazývané planární typ nebo trojrozměrný jehlový nebo pilířový typ, kde se jehlový typ pole, jako je Utah array, většinou používá pro stimulaci kortikálních a optických nervů a zřídka se používá v retinálních implantátech kvůli možnému poškození sítnice. V extraokulárním implantátu však bylo použito zlaté elektrodové pole ve tvaru pilíře na tenkovrstvém polyimidu. Na druhé straně jsou planární elektrodové pole tvořeny z pružných polymerů, jako je silikon, polyimid a parylen jako kandidáti pro retinální implantáty.
Pokud jde o DBS mikroelektrody, pole, které lze ovládat nezávisle, rozmístěné v celém cílovém jádru, by umožnilo přesnou kontrolu prostorového rozložení stimulace, a tím by umožnilo lépe personalizované DBS. Existuje několik požadavků na DBS mikroelektrody, které zahrnují dlouhou životnost bez poranění tkáně nebo degradace elektrod, upravené pro různá místa mozku, dlouhodobou biologickou kompatibilitu materiálu, mechanicky trvanlivou pro dosažení cíle bez poškození při manipulaci implantujícím chirurgem a konečně jednotnost výkonu napříč mikroelektrodami v konkrétním poli. Příklady mikroelektrod používaných v DBS jsou wolframový mikrodrát, iridiové mikrodráty a platinovo-iridiové mikroelektrody. Karbid křemíku je potenciální zajímavý materiál pro realizaci biokompatibilních polovodičových zařízení.
Reedův postup, jehož průkopníkem byl v Dallasu založený anesteziolog Dr. Kenneth Reed, vyvinul minimálně invazivní postup, kdy jsou neurostimulační vodiče implantovány pod kůži a přiléhají k oblastem bolesti, které dodávají mírné elektrické impulzy do nervů. Elektrické impulzy nahrazují pocit bolesti pocitem brnění nebo masáže, čímž snižují nebo eliminují potřebu léků proti bolesti u pacientů, kteří jsou kandidáty na tuto léčbu.
Ačkoli Reedův postup není v současné době schválen FDA, stimulace míchy (SCS) používá stejnou technologii a byla schválena FDA v roce 1989. SCS je nyní standardní léčebnou možností pro pacienty s chronickou bolestí zad a/nebo končetin, kteří nenalezli úlevu od bolesti z jiné léčby. Neurostimulaci na bolest hlavy bylo uděleno schválení CE Mark pro použití v Evropě v září 2011.
Neklinické (laboratorní) stimulační aplikace
Kromě enormního využití neurostimulace pro klinické aplikace je široce využívána také v laboratořích, které vznikly již ve 20. letech 20. století, kdy lidé spojovali Delgada, který používal stimulaci jako experimentální manipulaci ke studiu základů fungování mozku. Primární práce se týkaly centra odměny v mozku, v němž stimulace těchto struktur vedla k rozkoši, která si vyžádala větší stimulaci. Dalším nejnovějším příkladem je elektrická stimulace oblasti MT primární zrakové kůry za účelem zkreslení vnímání. V oblasti MT je pravidelně zastoupena zejména směrovost pohybu. Předkládali opicím pohyblivé obrazy na obrazovce a průchodnost opic měla určit, jaký je směr. Zjistili, že systematickým zaváděním některých chyb do reakcí opic, stimulací oblasti MT, která je zodpovědná za vnímání pohybu jiným směrem, opice reagovala na něco mezi skutečným pohybem a stimulovaným. To bylo elegantní využití stimulace, aby ukázali, že oblast MT je nezbytná ve skutečném vnímání pohybu. V rámci paměťového pole se stimulace používá velmi často k testování síly spojení mezi jedním svazkem buněk a druhým aplikováním malého proudu v jedné buňce, který má za následek uvolnění neurotransmiterů a měření postsynaptického potenciálu. Obecně krátký, ale vysokofrekvenční proud, jako je 100 Hz, pomáhá posílit spojení nazývané jako dlouhodobá potenciace. Nicméně delší, ale nízkofrekvenční proud vede k oslabení spojení nazývaných jako dlouhodobá deprese. A konečně, kombinace neurostimulace s neurozáznamovými zařízeními nás může dovést k rozhraní mozek-počítač, které se v současné době zdá být více než jen realitou, ale každodenní nutností.