Mozkové Implantáty

1. Mozkové Implantáty Jiří Balcárek balcaj3@fel.cvut.cz X33BMI – zimní semestr 2006

2. Obsah • Trocha historie • Co jsou mozkové implantáty (+ rozdělení) ? • Jak mozkové implantáty fungují ? • Konkrétní příklad – “Cerebrus system“ • Vývoj mozkových implantátů • Závěr (prostor pro dotazy)

3. Trocha historie Luigi Galvani (9.9.1737- 4.12.1798) • Italský lékař a přírodovědec • Objevitel “živočišné elektřiny“ • 1773 – začíná pokusy na žabách • 1791 – pojednání “De viribus elektricitatis in motu muscalari commentarius“ (Traktát o elektrických silách při pohybu svalu)

4. Trocha historie Gustav Fritsch(1838-1927) Eduard Hitzig (1838-1907) • 1870 – ukázali, že stimulací některých částí mozku psa lze vyvolat pohyb a své poznatky publikovali jako essay "On the Electrical Excitability of the Cerebrum". • Položili základy “lokálního testování“ mozku • 1874 - Robert Bartholow experimentálně dokázal že podobně jako u mozku psího lze u lidského mozku stimulací určitých částí dosáhnout fyzických interakcí

5. Trocha historie Fedor Krause (1857-1937) • Německý neurochirurg • Experimentoval na pacientech • Zjistil že reakce zvířecího mozku a lidského mozku na elektrické podněty jsou obdobné • Pracoval na zmapování lidského mozku

6. Mapa mozku od Fedora Krause

7. Co jsou mozkové implantáty ? • Mozkové implantáty(~Nervové implantáty) jsou zařízení, která se přímo připojují k mozku přičemž obvykle jsou připojeny ke cortexu <= Primary motor cortex je označen jako somatomotor cortex.

8. Co jsou mozkové implantáty – rozdělení ? Mozkové implantáty můžeme rozdělit na : • Implantáty pro stimulaci mozku (Deep brain stimulation) – elektroda se zavede do části mozku kterou chceme stimulovat elektrickými impulsy • Používá se např. pro “léčení“ : Parkinsonovy choroby, Tourettovasyndromu, Klinických depresí …

9. Co jsou mozkové implantáty – rozdělení ? Mozkové implantáty můžeme rozdělit na : • Implantáty pro snímání elektrických impulsů specifické části mozku • Používá se k vytvoření rozhraní mezi specifickou částí mozku a snímacím zařízením které signály zpracovává a vyhodnocuje

10. Co jsou mozkové implantáty – rozdělení ?

11. Jak mozkové implantáty fungují ??

12. Jak mozkové implantáty fungují ?? • Pomocí pole elektrod se snímají signály určité části mozku s amplitudou ~µV, které prochází přes zesilovač k dalšímu zpracování procesorem, který detekuje “klíčové“ události a provede příslušné akce.

13. Jak mozkové implantáty fungují ?? Načtení a zpracování informace : • Zachycení informace – elektrodové pole zachycuje současně signály ze skupiny neuronů • Přenos informace – informace se z elektrodového pole přenáší pomocí ~100 zlatých “vodičů“, které jsou připojeny ke “konektoru“ zachycenému na lebce. Tento konektor je připojen k “počítači“. • Analýza dat – data mohou být v počítači skladována pro pozdější analýzu, nebo mohou být zpracována v realném čase a přeložena pomocí speciálního softwaru který činnost neuronů vyhodnotí a převede na “řídící signály“ • Použití “řídících signálů“/ uložených dat – záleží na konkrétním případě.

14. Cerebrus System Skládá se z několika částí : • Pole mikroelektrod • CerePort 128:96 (případně 96:96, …) • Aplikátor pole mikroelektrod • Systém na získání a zpracování dat Domovská stránka : http://www.cyberkineticsinc.com

15. Cerebrus System • Vyvinuté na universitě v Utahu • Obsahuje 100 křemíkových elektrod • Velikost pole ~4 x 4 mm • Délka elektrod je 1 – 1,5 mm • Každá elektroda je spojena s okolním světem velmi tenkým vodičem • Možnost aplikace v: sensory cortex, motor cortex, spinal cord, retinal flat mounts, peripheral nerve fibers, and tissue slices. • Možnost použití také ke stimulaci • Pole mikroelektrod (1)

16. Cerebrus System • Křemíkové elektrody jsou od sebe izolovány nevodivým “sklem“ • Celé pole je izolováno polymerem - Parylene-C • Aktivní hrot elektrody je dlouhý 35-75µm a je potažený platinou • Průměr elektrody: ~80µm • Poloměr hrotu elektrody: 3-5µm • Impedance elektrody je 100-800KΩ • “Základna pole“ : 4,2 x 4,2 x 0,25mm • Pole mikroelektrod (2)

17. Cerebrus System • Obsahuje 134pinů • “Nulová vkládací síla“ pro spojení • Stojan vyroben z titanu • Průměr základny : 19mm • Průměr těla : 11mm • Váha : 4,5g • CerePort 128:96 (případně 96:96, …) Port ICS-X • ICS-32 má 36pinů a používá se u malých zvířat např. krysy (13x7x10mm) • ICS-96 má 108pinů a používá se u velkých zvířat např. opice (37x17x8mm)

18. Cerebrus System • Skládá se ze tří částí : • “Vkládací hůlka“ velikosti pera která provádí implantaci čipu • Kontrolní modul obsahující “kompresor“, ventil a elektroniku. Je připojen k “vkládací hůlce“ pomocí ohebné hadičky • Spouštěcí ovládání, které spustí vložení pole. Disponuje pojistkou – lze spustit pouze pokud je kontrolní modul v režimu “Armed“ • Aplikátor pole mikroelektrod (1) • Umožňuje vkládání mikroelektrodového pole s vysokou hustotou elektrod • Délka vsunutí bývá většinou 0,5 ; 1 nebo 1,5mm • Doba vkládání je menší než 2ms

19. Cerebrus System • Používá Metodu “Vysokorychlostního“ vkládání, která způsobuje pouze malé krvácení a minimální poškození tkáně. • Aplikátor pole mikroelektrod (2) Kontrolní modul • Tlak : 0 – 30 psi • Ovládání : Insertion pressure, power, run/fill, trigger enable, trigger • Velikost : 12" x 12" x 5“ • Váha : 16 lb

20. Cerebrus System • Skládá se především ze zesilovače signálů a jednotky která zpracovává nervové signály. Zpracování signálu : • Zesilovač přijímá na vstupu signál z pole elektrod, který zesiluje, filtruje a digitalizuje. Tento digitalizovaný signál posílá přes optické vlákno do jednotky zpracovávající nervové signály, která provede závěrečné filtrování signálu a on-line analýzu. Potom pošle zpracovaná data do počítače prostřednictvím síťového kabelu. • Systém na získání a zpracování dat (1)

21. Cerebrus System Zesilovač – 128 kanálů • Systém na získání a zpracování dat (2) • Zesílení : 5000 • Vstupní šum : >3µV • Vstupní rozsah : ±7mV (rozlišení 16bit) • Vstupní impedance : >10^12ohm ; 3pF • Spotřeba : 5,5W – při zapojení 4 x 32kanálů • Rozměry : 4,3" W x 1,7" H x 7,3" D

22. Cerebrus System Jednotky pro zpracování nervových signálů • Počet vstupů : 128 • Rychlost vzorkování : 30,000 snímků/s • Digitalizace : 16bit • Rozhraní : -MT-RJ fiber-optic port(až pro 128 kanálů) -100Mbit/1Gbit Ethernet - Experiment analog inputs: 16 +/- 5 V, 16-bit - Experiment analog outputs: Four +/- 5V, 600Ohm, 16-bit - Experiment digital I/O: One 16-bit input port (DB-37) - RS232 I/O port (DB-9) with 2400 to 115k baud … • Hmotnost : 6,8kg • Systém na získání a zpracování dat (3)

23. Cerebrus System Zpracování dat v PC – ukázka GUI • Systém na získání a zpracování dat (4) GUI se skládá z šesti základních částí : • “Setup window“ – nastavení parametrů každého kanálů • Okno kde můžeme provádět online klasifikaci akčního potenciálu na vybraném kanálu • Dvě okna pro prohlížení pohybu individuálních akčních potenciálů a lokálních silových potenciálů na všech kanálech • Mapa aktivity zobrazující aktivitu na všech kanálech • Okno kontrolující získávání a ukládání dat

25. Vývoj mozkových implantátů • 15.10.1999 • University of California, Berkeley • Tým vědců nahrál signály z 177 buněk v části mozku, která zpracovává vizuální signály z oka a pomocí jednoduchého matematického filtru dokázali obraz rekonstruovat – pokus byl proveden na kočce

26. Vývoj mozkových implantátů • Červenec-srpen 2001 • Japonští vědci na tokijské univerzitě zveřejnili zprávu o 'robo-roach' dálkově ovládaném hmyzu který může být použit k přenášení minikamery nebo mikrofonu • K testům používaly americké šváby kteří jsou největší svého druhu a jsou schopni unést až dvacetinásobek své hmotnosti a jsou to jedni z nejodolnějších živočichů na světě • Na výzkum dostali $5miliónů

27. Vývoj mozkových implantátů • 1.5.2002 – Krysa “dálkově ovládaná“ pomocí mozkového implantátu • Projekt předvedl tým State University of New York pod vedením bioinženýra Sanjiva Talwara • Ovládání : běh, šplhání, skákání, zatočení vlevo/vpravo

28. Vývoj mozkových implantátů

29. Vývoj mozkových implantátů

30. Vývoj mozkových implantátů • 12.3.2003 • Testování první “mozkové protézy“ na universitě v Californii

31. Vývoj mozkových implantátů • 14.10.2003 • Vědci z “Duke University in North Carolina“ implantovali elektrody do mozku opice a poté opici testovali na jednoduché hře. Pomocí joysticku opice přesunula puntík na obrazovce počítače do příslušného kroužku a na určitou dobu stiskla tlačítko. Po chvilce jí joystick vzali a připojily výstup k robotické paži. Opice ještě chvíli pokračovala v pohybu paží ve směru joysticku, ale po chvíli si uvědomila, že ke splnění úkolu nemusí paží pohybovat a stačí na pohyb pouze myslet.

32. Vývoj mozkových implantátů Ovládání robotické paže opicí s implantátem

33. Vývoj mozkových implantátů • 2004 – společnost CyberKinetics inc. dostává od FDA (Food and Drug Administration) povolení k testování mozkových implantátů na lidech

34. Vývoj mozkových implantátů • 12.7.2006 – kompletně ochrnutý Matthew Nagle, 25let se stává “prvním“ pacientem, který pomocí systému BrainGate provádí základní operace jako: čtení emailů,hraní počítačových “her“, stisknutí a povolení prstů na protetické ruce

35. Závěr Prostor pro dotazy

36. Použité zdroje • http://www.wireheading.com/roboroach/robo-roaches.html • http://www.berkeley.edu/news/media/releases/99legacy/10-15-1999.html • http://news.bbc.co.uk/2/hi/health/5167938.stm • http://www.skewsme.com/implants.html#ren48 • http://www.nature.com/nature/focus/brain/experiments/videoitself1.html • http://www.newscientist.com/article.ns?id=dn3488 • http://www.transhumanismus.cz/ • http://archives.betterhumans.com/Home/tabid/36/Default.aspx • http://en.wikipedia.org/wiki/Main_Page