Кортикальный зрительный протез

диссертация Марианны Ивановой

статья "Свет в конце нейрона" журнал Эксперт, 2008г

Актуальность ::: Обзор литературы (ч.1) (ч.2) ::: Методы ::: Результаты ::: Обсуждение и выводы ::: Литература

Обсуждение полученных результатов

В связи с развитием инженерной составляющей кортикального зрительного протеза не раз вставал вопрос о том, как на лабораторном этапе провести предварительную оценку эффективности предложенной инженерами новинки или технического усовершенствования. В качестве поведенческой модели для проверки функциональности имплантируемых микроэлектродных матриц предлагались самые различные животные от крыс и морских свинок до приматов. Также проводились поведенческие эксперименты с участием добровольцев.

Обоснование выбора кошки в качестве нейрофизиологической модели

Наиболее существенным отличием зрительной системы млекопитающих из отряда хищных и низших приматов от зрительной системы высших приматов, в том числе и человека, является наличие геникуло-экстрастриарных связей, т.е. связей от наружного коленчатого тела не только к стриарной коре (поле 17), но и обширных связей его со зрительными полями 18, 19. (Подвигин Н.Ф. и соавт., 1986). Вызванные потенциалы поля 17 значительно уступают по своей амплитуде этим полям.

Если по каким-либо причинам происходит длительная депривация в работе зрительного анализатора, то показано, что в отличие от клеток сетчатки, подвергающихся ремоделированию, нейроны зрительной коры долгие годы сохраняют свои зрительные свойства (Полянский В.Б. и соавт., 1981). Согласно существующему мнению, у человека афференты, передающие зрительные импульсы от сетчатки, приходят в наружное коленчатое тело, а затем отсюда передаются только в зрительную стриарную кору (т.е. в поле 17). Сюда они приходят в основной своей массе в 3-4-ые слои, где вызванный потенциал после инверсии на границе 2-ого и 3-его слоев имеет максимальную амплитуду. Отсюда они разветвляются в 3-ем слое этой коры, не доходя до 1-ого слоя, который раздражается в системе искусственного зрения у Brindley (1968) и Dobelle W . H . (2000). Поэтому, такое раздражение в принципе не является достаточно адекватным. Более адекватным являлось бы раздражение зрительного тракта или наружного коленчатого тела. Скорее всего, поэтому в указанных работах позиция фосфена в зрительном поле лишь грубо соответствовала той ожидаемой позиции, которая должна быть согласно классическим представлениям о ретинотопических проекциях зрительной коры. Вторая причина несоответствия может быть связана с деструктивными изменениями в коре после ретинальной депривации, связанной с травмой.

Вторым, очень важным отличием зрительной системы животных от таковой у человека является наличие у животных так называемой «второй зрительной системы», которая идет параллельно первой («классической») зрительной системе в те же поля, а также в супрасильвиевую извилину (поля 5, 7 и т.д.) через переднее двухолмие, комплекс подушка-заднее латеральное ядро (Базиян Б.Х., 1993). Даже показано, что при полном разрушении стриарной коры у животных, остаточное зрение у них все же сохраняется (Любимов Н.Н. и соавт., 1972).

Итак, каково же значение разработанной нами поведенческой модели оценки функциональности кортикального зрительного протеза в ряду других поведенческих животных моделей? Лабораторные животные совершенно разных видов довольно широко применяются в разработке кортикального (и ретинального) зрительных протезов, однако в связи со специфичностью разрабатываемого устройства чрезвычайно сложно найти подходящую модель для поведенческой оценки. Предлагаемые ранее в качестве поведенческих моделей собаки, кролики и свиньи не оправдали себя в качестве хороших и эффективных нейрофизиологических поведенческих моделей, как предполагалось.

Единственными полезными «ценителями» кортикального зрительного протеза оказались самые ближайшие родственники человека – приматы. Однако масштаб исследований на приматах в последние десятилетия значительно сократился и продолжает сокращаться под давлением общественности о моральности и гуманности таких экспериментов. Кроме того, содержание приматов в регламентированных лабораторных условиях обходится намного дороже, чем кошек.

Поэтому предложенная нами модель является одной из самых эффективных после приматов как по проценту правильных ответов в поведенческих экспериментах, так и в экономическом плане.

Еще в середине прошлого века были проведены эксперименты по выявлению возможности выработки различных условных рефлексов (инструментальных, оборонительных и т.д.), где в качестве условного раздражителя было использовано не раздражение периферических сенсорных систем, а электрическое раздражение структур мозга, имеющих отношение к анализаторам мозга. Уже первые исследования показали возможность выработки, угашения и восстановления пищевых и оборонительных условных рефлексов на раздражение ряда центральных структур (стволовых, подкорковых, корковых) у разных животных, что намекало на сходство ощущений при этом с адекватными сенсорными раздражениями. Скорость переноса рефлекса из периферического в центральный, как показали исследования, довольно высока. О методах тренировки, стимуляции, порогах, генерализации стимула и переносе между зрительными, слуховыми и центральными стимулами имеется достаточно литературы (Шумихина С.И., 1981, John E.R. et al ., 1975, Kelly P . J ., 1973).

Предлагаемая нами нейрофизиологическая модель основана именно на этом принципе переноса периферического условного рефлекса к центральному.

Выработка условного поведенческого рефлекса

Обучение животных требует терпения, но особых сложностей не представляет. Описанная другими авторами (Шумихина С., 1981) методика работы с кошками и их обучение имеют много общих черт с нашей. Тренинг животного у нее длился в среднем 11 дней.

Параметры электрической стимуляции зрительной коры, вызывающие фосфены

Сила тока. Наши данные по параметрам стимуляции (электрического раздражения структур) мозга животных отличаются более широким диапазоном величин, чем данные Добелля и Бриндли, ( Brindley G . S . et al ., 1968, Dobelle W . H . et al ., 2000) полученные на человеке при создании системы искусственного зрения. Это связано с целым рядом причин и в первую очередь, с видом животного, раздражаемыми структурами и электродной системой. Что касается параметров раздражения коры, то полученные нами значения параметров достаточно близки к таковым у этих авторов. Это в первую очередь объясняется одинаковыми по диаметру электродами, использованными нами. Использование более тонких электродов позволяет, незначительно травмируя мозг, имплантировать их в подкорковые структуры. Необходимо отметить, что при регистрации вызванных ответов, а также раздражении структур для исследования связей между образованиями мозга обычно в мировой литературе применяются именно такие же электроды (диаметром 0,1 – 0,3 мм ), обладающие достаточной жесткостью и стойкостью к воздействию агрессивной среды наподобие мозговой (сталь, нихром и т.д.) ( Bostock H . et al ., 1983 ). Данные, полученные нами при использовании этих электродов, хорошо согласуются с данными литературы, величины параметров электрического раздражения близки к данным Doty R . W . et al . (1959), Dikmen et al . (1975) и других авторов.

Длительность одиночного импульса. Длительности импульсов изменяли от сверхкоротких до 2 мс. При этом для интракортикально имплантированных электродов для индукции поведенческого ответа на электрическую стимуляцию требовалась длина импульса от 0,1 мс и выше, тогда как для эпикортикально расположенных электродов порог индукции фосфенов составлял 0,3 мс. Полученные нами данные согласуются с данными, полученными в исследованиях Dobelle и Schmidt и описанными в литературе ( Grill W . M . et al ., 1996).

Длительность трейна импульсов. Как уже было сказано в главе «Результаты» при длительности трейна импульсов менее 0,5 с животное не всегда поднимало лапу. При длительности трейна импульсов 1 – 2 с. мы получали уверенный поведенческий ответ животного. Фосфен исчезает после 1-2 секунд, поэтому при длительном расположении фосфена в одной точке пространства потребуется дополнительная стимуляция нервной ткани через определенный промежуток времени, в наших экспериментах при длительности трейна 2 и более секунд поведение животного не изменялось. Длительный трейн нежелателен, так как происходит дополнительное разрушение ткани мозга. Для работы зрительного протеза необходим анализ поступающего изображения в реальном времени.

По данным Normann R . A . et al . (1995) длительность трейна импульсов должна составлять около 1 с. В экспериментах Mladejovsky M . G . et al . (1976), а также Dobelle W. H. (2000) длительность трейна импульсов для индукции фосфенов должна составлять 0,5 – 1 с. Однако в этих экспериментах применялись эпикортикальные платиновые электроды-диски диаметром 1,0 мм , что может сказываться на эффективности длительности трейна в сторону удлинения. В экспериментах Schmidt E . M . et al . (1996) на добровольце было показано, что при длительности трейна импульсов от 125 мс до 3-х секунд в поле зрения возникают фосфены. В наших экспериментах мы достигли надежного получения поведенческого ответа при длительности трейна от 1 секунды. При длительности трейна импульсов от 0,5 до 1 с. мы в некоторых случаях получали поведенческий ответ, а в некоторых – нет. При длительности трейна импульсов менее 0,5 с. четкого поведенческого ответа не наблюдалось. Полученные нами данные в общих чертах коррелируют с данными литературы, полученными в результате исследований на добровольцах, однако при малых длительностях трейна импульсов точность поведенческого ответа животного мала.

Сопротивление электродов. В группе животных с эпикортикальными микроэлектродами диаметром 1,0 мм в среднем сопротивление микроэлектродов через 7 дней после имплантации составило 2,1±1,7 кОм, через 1 месяц после имплантации – 9,2±5,3 кОм, через 8 месяцев после имплантации 21,3±9,0 кОм. Полученные в эксперименте данные обозначают, что сразу после имплантации для возникновения фосфенов необходимо подавать ток напряжением в среднем 5 В, через месяц после имплантации напряжение необходимо увеличить в среднем до 22,5 В для получения параметров, при которых возникают фосфены, а через 8 месяцев после имплантации напряжение должно быть равно 52,5 В.

То есть со временем все большее и большее напряжение нужно подавать для того, чтобы у животного возникали фосфены, и оно реагировало на них поднятием лапы. Если подавать напряжение 50 В, то разрушение ткани мозга будет значительным.

По каким причинам происходит повышение уровня сопротивления имплантируемых микроэлектродов? Наиболее вероятной является регенеративная инкапсуляция микроэлектродов, снижение функциональности микроэлектрода в агрессивной ионной среде межклеточной жидкости нейронов зрительной коры мозга, а также снижение уровня ответа клеток на раздражение вследствие их повреждения.

Становится ясным, что при таких параметрах вольтажа использование протеза через несколько месяцев после имплантации становится совсем не таким, как непосредственно после имплантации. Подаваемое напряжение довольно сильно может повредить ткань мозга и даже вызвать эпилептический припадок. Кроме того, как раз к этому моменту (8 месяцев после имплантации) по данным литературы ( Schmidt E . M . et al ., 1996) и предварительным гипотезам функциональная полезность кортикального протеза достигает приемлемых значений по сравнению с начальным уровнем. Поэтому вопрос о решении этой проблемы должен быть поставлен и решен в последующих экспериментах и разработках.

Вид импульса. Для электрической стимуляции зрительной коры можно применять различные виды импульсов: прямоугольные и синусоидальные одиночные, а также несколько импульсов подряд – трейн – с различными параметрами импульсов в трейне. По данным Mladejovsky M . G . et al ., (1976) предпочтительно применение именно прямоугольного бифазного симметричного импульса для предотвращения разрушения микроэлектрода вследствие электролиза, так как общая сумма переданных зарядов равна нулю.

Полярность импульсов. По результатам наших исследований полярность импульса не влияла на возникновение фосфенов. Аналогично исследовательская группа профессора Норманна из университета штата Юта, занимающаяся разработкой кортикального зрительного протеза, не выделяет полярность импульса в качестве параметра, влияющего на возникновение фосфенов ( Normann R . A . et al ., 1999). Однако в работах Dobelle W . H . et al ., (2000) и Mladejovsky M . G . et al ., (1976) применяли бифазный импульс, а по данным эксперимента Шмидта ( Schmidt E . M . et al ., 1996) полярность первой фазы бифазного стимулирующего импульса влияла на порог силы тока.

Частота импульсации. В наших экспериментах при частоте импульсации 10 Гц животное не давало условного рефлекса на стимуляцию зрительной коры. При частоте 25 Гц и выше (вплоть до 100 Гц) наблюдался четкий ответ – поднятие лапы. Наши данные согласуются с результатами эксперимента Dobelle W . H . et al ., 2000, который получил зрительные ощущения фосфенов у испытуемых при частоте стимуляции от 50 до 100 Гц. В гипотезе Норманна ( Normann R . A ., 1996) частота стимуляции для индукции фосфенов для человека колеблется от 10 до 250 Гц, однако мы не получили подтверждения этим данным в нижних пределах от 10 до 25 Гц.

Количество стимулируемых электродов . В исследуемых группах при стимуляции менее трех электродов поднятия лапы животного не наблюдалось ни в одном случае. При стимуляции трех и более микроэлектродов в пределах параметров раздражения, вызывающих фосфены, в подавляющем большинстве случаев животное поднимало лапу, при этом наблюдали уменьшение латентного периода при увеличении количества стимулируемых электродов.

Полученные в эксперименте данные мы склонны интерпретировать следующим образом: при малом количестве стимулируемых микроэлектродов (один или два) кошка не «ассоциирует» возникающие единичные вспышки в поле зрения с моделью предъявляемого ранее фосфенного поля. Когда количество стимулируемых микроэлектродов более трех, то все экспериментальные животные довольно уверенно поднимают лапу в ответ на электрическую стимуляцию мозга в диапазоне параметров, которые вызывают фосфены, представляя, что такое количество вспышек в поле зрения соответствует МФП.

Локализация имплантируемых электродов. Локализация имплантации электродов и МЭМ очень сильно влияет на параметры электрической стимуляции, при которых возникают фосфены в поле зрения. Так, при эпикортикальной имплантации электродов требуется в 10 – 100 раз бoльшая сила тока для получения таких же самых результатов. Подобные результаты описаны и в литературе ( Dobelle , W . H . et al ., 2000, Doty R . W ., 1965, Bradley D . C . et al ., 2005).

Для долговременного нахождения в мозге более безопасными являются интракортикальные электроды, так как пороги стимуляции для возникновения фосфенов для них в десятки раз меньше, однако сама процедура имплантации интракортикальных электродов сопряжена с бoльшими рисками. Объяснение тому факту, что при интракортикальной стимуляции пороги силы тока меньше в десятки раз мы находим в том, что в случае поверхностного раздражения распространение возбуждения из раздражаемого пункта коры происходит по 1) системе непосредственно раздражаемых элементов 1 слоя, 2) системе возбуждаемых каллозальных волокон, 3) через посредство промежуточных и ассоциативных нейронов коры. В последнем случае реакция возникает часто после длительного раздражения путем постепенного вовлечения в реакцию этих промежуточных элементов под действием импульсов из раздражаемых волокон 1-ого слоя (или под действием раздражающего тока в месте раздражения). Иначе говоря, при прямой стимуляции коры ток идет, скорее всего, по поверхности, чем в глубину, и как считается, в связи с этим происходит недостаточная активация наружного коленчатого тела и его связей, могущие вызвать такие зрительные ощущения у животных и человека.

В нашем случае мы раздражаем 3-4 слои, и токи идут ортодромно. При этом все вышеперечисленные факторы не имеют места.

Заключение

Итак, несомненно, в долгосрочной перспективе интракортикальная имплантация электродов представляет значительно больший интерес, чем эпикортикальная, так как позволяет достигнуть того же результата, что и при эпикортикальной имплантации но со значительно меньшими величинами токов, благодаря чему снижается степень повреждения мозга. Дальнейшие исследования должны быть направлены на снижение количества побочных эффектов, связанных с этим явлением. Будущее, по всей видимости, за тонкими микроэлектродами.

Выводы:

• Разработана поведенческая нейрофизиологическая модель для экспериментального исследования функциональности имплантируемых микроэлектродов перед их применением в клинических целях.
• Определены параметры (сила тока, частота и полярность раздражения, длительности импульсов и трейна, импеданс) безопасной стимуляции зрительной коры мозга кошки, при которых возникают фосфены. Эти параметры могут быть использованы при клинических испытаниях.
• Проведена сравнительная оценка параметров раздражения, вызывающих фосфены при эпи- и интракортикальной имплантации микроэлектродов из нихрома, позолоченного серебра и оксида иридия.
• Интракортикальная имплантация микроэлектродов диаметром 0,05 и 0,2 мм более травматична технически во время имплантации, чем эпикортикальная имплантация электродов диаметром 1,0 и 0,05 мм , но значительно безопаснее при долгосрочном использовании, так как стимуляция при этом адекватна и требует значительно меньших порогов стимуляции, при которых возникают фосфены.
• При имплантации микроэлектродных матриц наряду с ретинотопической организацией зрительного анализатора следует учитывать механизмы пластичности мозга.
• Проведенные исследования доказывают, что созданная нами нейрофизиологическая поведенческая модель на кошке является хорошим инструментом для оценки первичной функциональности разрабатываемых микроэлектродных матриц, которые применяются в кортикальном зрительном протезировании.

Далее >> Список использованной литературы

Актуальность ::: Обзор литературы (ч.1) (ч.2) ::: Методы ::: Результаты ::: Обсуждение и выводы ::: Литература

(с) Марианна Иванова