Нейронна інженерія (також відома як нейроінженерія) — дисципліна в біомедичній інженерії, яка використовує нейронаукові та інженерні методи й підходи для розуміння, відновлення, заміни, покращення або використання властивостей нейронних мереж та систем, а також для розробки рішень для нейрореабілітації після захворювань, травм та станів, пов’язаних з неврологічними обмеженнями та дисфункцією.

Нейроінженерія поєднує в собі принципи нейронауки, біології, інженерії та біоінженерії, нейроінформатики та неврології. Метою нейронної інженерії є розробка нових методів лікування та технологій, які можуть лікувати або пом’якшувати неврологічні та психіатричні розлади, відновлювати або посилювати сенсорні та моторні функції та покращувати взаємодію людини з машиною.

Огляд Галузь нейронної інженерії спирається на галузі обчислювальної нейронауки, експериментальної нейронауки, неврології, електротехніки та обробки сигналів живої нервової тканини та охоплює елементи робототехніки, кібернетики, комп’ютерної інженерії, біоінформатики, інженерії нервової тканини, матеріалознавства та нанотехнологій.

Основні цілі в цій галузі включають відновлення та посилення функцій людини шляхом прямої взаємодії між нервовою системою та штучними пристроями.

Значна частина поточних досліджень зосереджена на розумінні кодування та обробки інформації в сенсорних і моторних системах, кількісному визначенні того, як ця обробка змінюється в патологічному стані, і як нею можна маніпулювати за допомогою взаємодії зі штучними пристроями, включаючи інтерфейси мозок-комп’ютер і нейропротези.

Інші дослідження більше зосереджені на дослідженні шляхом експерименту, включаючи використання нейронних імплантатів.

Методиками відновлення пошкодженної нервової тканини чи її оптимізації займається ще одна галузь біомедичної інженерії — тканинна інженерія, а саме — інженерія нервової тканини.

— це розділ нейрофізики та нейроінженерії, який зосереджується на гідродинаміці нервової системи.

Історія Оскільки нейроінженерія є відносно новою галуззю, інформація та дослідження, пов’язані з нею, порівняно обмежені, хоча це швидко змінюється.

Хоча ще в 1960-х були перші подібні експерименти. Пол Бах-і-Ріта показав, що різні ділянки нашого мозку можуть реорганізовуватись для компенсації різних сенсорних областей, пошкоджених інсультом. Він створив прилади, які дозвляли сліпим людям "бачити" спиною, а паціентам з пошкодженим вестибулярним апаратом утримувати рівновагу.

Перші журнали, спеціально присвячені нейроінженерії, The Journal of Neural Engineering та The Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation, обидва вийшли в 2004 році.

Міжнародні конференції з нейронної інженерії проводяться IEEE з 2003 року.

Основи Основи нейроінженерії включають взаємозв’язок нейронів, нейронних мереж і функцій нервової системи з кількісно визначеними моделями, щоб допомогти розробці пристроїв, які могли б інтерпретувати та контролювати сигнали мозку, та виробляти цілеспрямовані реакції.

Нейронаука

Сигнали мозку — відчуття, рухи, думки та гомеостаз організму загалом — це направленні електро-магнітно-хімічно-оптично імпульси, що передаються по мережі нейронних відростків. Наразі невідомо чим конкретно обумовлено кваліа сигналів мозку, та нейронна активність (деполяризація мембрани) значно корелює з кваліа, та ознаками свідомості, як у тварин, так і у людей.

Нейрони є основною функціональною одиницею нервової системи та є вузькоспеціалізованими клітинами, які здатні генерувати і передавати сусіднім нейронам чи інших клітинам ці сигнали. Нейрони мають особливі електрохімічні властивості, які дозволяють їм обробляти інформацію, а потім передавати цю інформацію іншим клітинам. Активність нейронів залежить від їх потенціалу мембрани та змін, які відбуваються навколо нейронів.

Постійна напруга, відома як мембранний потенціал, зазвичай підтримується певними концентраціями специфічних іонів (Na, K, Ca та ін.) на мембранах нейронів. Порушення або коливання цієї напруги створюють дисбаланс та може змінити поляризацію на мембрані. Деполяризація мембрани, що перевищує її пороговий потенціал, створює потенціал дії, який є основним джерелом передачі сигналу, відомого як нейротрансмісія нервової системи. Потенціал дії призводить до каскаду іонного потоку вниз і через аксональну мембрану, створюючи ефективну серію стрибків напруги або «електричний сигнал», який може передавати подальші електричні зміни в інші клітини. Сигнали можуть генеруватися електричними, хімічними, магнітними, оптичними та іншими формами стимулів, які впливають на потік зарядів і, отже, на рівні напруги на нейронних мембранах.

Інженерія Інженери використовують кількісні інструменти, які можна використовувати для розуміння та взаємодії зі складними нейронними системами. Методи вивчення та генерування хімічних, електричних, магнітних і оптичних сигналів, що відповідають за потенціали позаклітинного поля та синаптичну передачу в нервовій тканині, допомагають дослідникам у модуляції активності нервової системи.

Щоб зрозуміти властивості активності нейронної системи, інженери використовують методи обробки сигналів і обчислювальне моделювання. Щоб обробити ці сигнали, нейроінженери повинні перетворити напруги на нейронних мембранах у відповідний код, процес, відомий як нейронне кодування. Сфера дослідження нейронного кодування — як мозок кодує прості команди у формі центральних генераторів шаблонів (CPG), векторів руху, внутрішньої моделі мозочка та соматотопічних карт для розуміння рухів і сенсорних явищ.

Для запису цих сигналів напруги використовуються різні методи. Вони можуть бути внутрішньоклітинними або позаклітинними. Позаклітинні методи передбачають одноблокові записи, потенціали позаклітинного поля та амперометрію.

Області застосування

Нейромеханіка — це поєднання нейробіології, біомеханіки та робототехніки. Дослідники використовують передові методи та моделі для вивчення механічних властивостей нервових тканин та їхнього впливу на здатність тканин протистояти й генерувати силу та рухи, а також їхню вразливість до травматичного навантаження. Ця область дослідження зосереджена на перетворенні інформації між нервово-м’язовою та кістковою системами для розробки функцій і керівних правил, що стосуються роботи та організації цих систем. Нейромеханіку можна моделювати шляхом підключення обчислювальних моделей нейронних ланцюгів до моделей тіл тварин, розташованих у віртуальних фізичних світах.

Експериментальний аналіз біомеханіки, включаючи кінематику та динаміку рухів, процес і шаблони моторного та сенсорного зворотного зв’язку під час рухових процесів, а також схему та синаптичну організацію мозку, відповідального за руховий контроль, — усе це зараз досліджується, щоб зрозуміти складність руху тварин. Лабораторія доктора Мішель Лаплака в Технологічному інституті Джорджії бере участь у вивченні механічного розтягування клітинних культур, деформації зсуву планарних клітинних культур і деформації зсуву тривимірних матриць, що містять клітини. Розуміння цих процесів супроводжується розробкою моделей функціонування, здатних характеризувати ці системи в умовах замкнутого циклу зі спеціально визначеними параметрами.

Вивчення нейромеханіки спрямоване на вдосконалення методів лікування фізіологічних проблем зі здоров’ям, що включає оптимізацію конструкції протезів, відновлення рухів після травми, а також проектування та керування мобільними роботами.

Нейромодуляція Основні статті — Нейрореабілітація, .

Нейромодуляція спрямована на високоточне лікування захворювань або травм нервової системи, шляхом використання технологій медичних пристроїв, які посилюють або пригнічують активність нервової системи, та за допомогою доставки фармацевтичних агентів, електричних сигналів або інших форм енергетичних стимулів для відновлення балансу в ушкоджених областях мозку. Дослідники в цій галузі стикаються з проблемою пов’язати досягнення в розумінні нейронних сигналів з досягненнями в технологіях доставки та аналізу цих сигналів з підвищеною чутливістю, біосумісністю та життєздатністю в схемах замкнутого циклу в мозку, щоб можна було створювати нові методи лікування та клінічні застосування для лікування тих, хто має нервові пошкодження різного роду.Potter S. 2012. NeuroEngineering: Neuroscience - Applied. In TEDxGeorgiaTech: TEDx Нейромодулятори можуть коригувати дисфункцію нервової системи, пов’язану з хворобою Паркінсона, тремором, хворобою Туретта, хронічним болем, важкою депресією та, зрештою, епілепсією.

Нейромодуляція зосереджена лише на лікуванні дуже специфічних областей мозку, на відміну від системного лікування, яке може мати побічні ефекти на організм. Нейромодуляторні стимулятори, такі як масиви мікроелектродів, можуть стимулювати та записувати функцію мозку, а з подальшими вдосконаленнями мають стати регульованими та чуйними пристроями доставки ліків та інших стимулів.

Нейровізуалізація Методи нейровізуалізації використовуються для дослідження активності нейронних мереж, а також структури та функцій мозку.

Технології нейровізуалізації

Магнітно-резонансна томографія (МРТ): МРТ — це неінвазивний метод візуалізації, який використовує сильне магнітне поле, радіохвилі та комп’ютерну обробку для отримання детальних зображень мозку та інших частин тіла. Комп’ютерна томографія (КТ): КТ – це тип медичного зображення, який використовує рентгенівські промені та комп’ютерну обробку для створення детальних зображень мозку та інших частин тіла. Позитронно-емісійна томографія (ПЕТ): ПЕТ-сканування використовує невелику кількість радіоактивного матеріалу та спеціальну камеру для отримання зображень мозку та інших частин тіла. (МЕГ): МЕГ — це неінвазивна техніка візуалізації, яка використовує магнітні датчики для вимірювання магнітних полів, створених мозком, що дозволяє дослідникам відображати мозкову активність у режимі реального часу. Електроенцефалографія (ЕЕГ): ЕЕГ — це неінвазивний метод візуалізації, який реєструє електричну активність мозку за допомогою електродів, розміщених на шкірі голови. Функціональна магнітно-резонансна томографія (фМРТ): фМРТ — це тип МРТ, який досліджує зміни кровотоку в ділянках мозку, щоб зробити висновок про зміни нейронної активності, що дозволяє дослідникам скласти карту функціональної організації мозку. Дифузійна МРТ, або Дифузійна тензорна візуалізація (ДТВ): ДТВ – це тип МРТ, який використовує дифузію молекул води для створення зображень шляхів білої речовини в мозку, надаючи інформацію про зв’язок і цілісність зв’язків мозку. Оптична візуалізація: методи оптичної візуалізації, такі як оптична когерентна томографія (ОКТ) і ближня інфрачервона спектроскопія (NIRS), використовують світло для зображення мозку та надання інформації про структуру та функції мозку. Однофотонна емісійна комп'ютерна томографія — метод радіонуклідної діагностики, принцип якого полягає в отримуванні серії двовимірних сцинтиграм при програмно керованому обертанні одного чи декількох детекторів томографа навколо осі тіла пацієнта. При цьому застосовують радіонукліди, що випромінюють один гамма-квант на один радіоактивний розпад.

Нейронні мережі