Engenharia Neural - Neural engineering

A engenharia neural (também conhecida como neuroengenharia ) é uma disciplina dentro da engenharia biomédica que usa técnicas de engenharia para compreender, reparar, substituir ou aprimorar sistemas neurais. Os engenheiros neurais são exclusivamente qualificados para resolver problemas de design na interface de tecido neural vivo e construtos não vivos ( Hetling, 2008 ).

Visão geral

O campo da engenharia neural baseia-se nos campos da neurociência computacional , neurociência experimental, neurologia clínica , engenharia elétrica e processamento de sinal de tecido neural vivo e abrange elementos de robótica , cibernética , engenharia da computação , engenharia de tecido neural , ciência de materiais e nanotecnologia .

Objetivos proeminentes no campo incluem a restauração e o aumento da função humana por meio de interações diretas entre o sistema nervoso e dispositivos artificiais .

Muitas pesquisas atuais estão focadas na compreensão da codificação e processamento de informações nos sistemas sensoriais e motores , quantificando como esse processamento é alterado no estado patológico e como pode ser manipulado por meio de interações com dispositivos artificiais, incluindo interfaces cérebro-computador e neuroprostéticos .

Outras pesquisas se concentram mais na investigação por experimentação, incluindo o uso de implantes neurais conectados com tecnologia externa.

Neurohidrodinâmica é uma divisão da engenharia neural que se concentra na hidrodinâmica do sistema neurológico.

História

Como a engenharia neural é um campo relativamente novo, as informações e pesquisas relacionadas a ela são comparativamente limitadas, embora isso esteja mudando rapidamente. Os primeiros periódicos especificamente dedicados à engenharia neural, The Journal of Neural Engineering e The Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation surgiram em 2004. Conferências internacionais sobre engenharia neural foram realizadas pelo IEEE desde 2003, de 29 de abril a 2 de maio de 2009 em Antalya, Turquia 4ª Conferência sobre Engenharia Neural, 5ª Conferência Internacional IEEE EMBS sobre Engenharia Neural em abril / maio de 2011 em Cancún , México , e 6ª conferência em San Diego , Califórnia em novembro de 2013. A 7ª conferência foi realizada em abril de 2015 em Montpellier . A 8ª conferência foi realizada em maio de 2017 em Xangai .

Fundamentos

Os fundamentos por trás da neuroengenharia envolvem a relação de neurônios, redes neurais e funções do sistema nervoso com modelos quantificáveis ​​para auxiliar no desenvolvimento de dispositivos que poderiam interpretar e controlar sinais e produzir respostas propositadas.

Neurociência

As mensagens que o corpo usa para influenciar pensamentos, sentidos, movimentos e sobrevivência são dirigidas por impulsos nervosos transmitidos através do tecido cerebral e para o resto do corpo. Os neurônios são a unidade funcional básica do sistema nervoso e são células altamente especializadas, capazes de enviar esses sinais que operam funções de alto e baixo nível necessárias para a sobrevivência e qualidade de vida. Os neurônios têm propriedades eletroquímicas especiais que lhes permitem processar informações e, em seguida, transmiti-las a outras células. A atividade neuronal depende do potencial da membrana neural e das mudanças que ocorrem ao longo e através dela. Uma voltagem constante, conhecida como potencial de membrana , é normalmente mantida por certas concentrações de íons específicos através das membranas neuronais. Perturbações ou variações nesta voltagem criam um desequilíbrio, ou polarização, através da membrana. A despolarização da membrana além de seu potencial limiar gera um potencial de ação, que é a principal fonte de transmissão do sinal, conhecido como neurotransmissão do sistema nervoso. Um potencial de ação resulta em uma cascata de fluxo de íons para baixo e através de uma membrana axonal, criando um trem de pico de tensão eficaz ou "sinal elétrico" que pode transmitir mudanças elétricas adicionais em outras células. Os sinais podem ser gerados por estímulos elétricos, químicos, magnéticos, ópticos e outras formas que influenciam o fluxo de cargas e, portanto, os níveis de voltagem através das membranas neurais (He 2005).

Engenharia

Os engenheiros empregam ferramentas quantitativas que podem ser usadas para compreender e interagir com sistemas neurais complexos. Métodos de estudo e geração de sinais químicos, elétricos, magnéticos e ópticos responsáveis ​​pelos potenciais de campo extracelular e transmissão sináptica no tecido neural auxiliam os pesquisadores na modulação da atividade do sistema neural (Babb et al. 2008). Para entender as propriedades da atividade do sistema neural, os engenheiros usam técnicas de processamento de sinais e modelagem computacional (Eliasmith & Anderson 2003). Para processar esses sinais, os engenheiros neurais devem traduzir as tensões nas membranas neurais em um código correspondente, um processo conhecido como codificação neural. Estudos de codificação neural sobre como o cérebro codifica comandos simples na forma de geradores de padrão central (CPGs), vetores de movimento, o modelo interno cerebelar e mapas somatotópicos para entender o movimento e fenômenos sensoriais. A decodificação desses sinais no reino da neurociência é o processo pelo qual os neurônios entendem as tensões que foram transmitidas a eles. As transformações envolvem os mecanismos pelos quais os sinais de uma determinada forma são interpretados e depois traduzidos para outra forma. Os engenheiros procuram modelar matematicamente essas transformações (Eliasmith & Anderson 2003). Existem vários métodos usados ​​para registrar esses sinais de tensão. Estes podem ser intracelulares ou extracelulares. Os métodos extracelulares envolvem registros de uma única unidade, potenciais de campo extracelular e amperometria; mais recentemente, matrizes de multieletrodos têm sido usadas para registrar e simular sinais.

Alcance

Neuromecânica

Neuromecânica é o acoplamento de neurobiologia, biomecânica, sensação e percepção e robótica (Edwards 2010). Os pesquisadores estão usando técnicas e modelos avançados para estudar as propriedades mecânicas dos tecidos neurais e seus efeitos na capacidade dos tecidos de resistir e gerar força e movimentos, bem como sua vulnerabilidade a cargas traumáticas (Laplaca & Prado 2010). Esta área de pesquisa se concentra em traduzir as transformações de informação entre os sistemas neuromuscular e esquelético para desenvolver funções e regras que regem o funcionamento e a organização desses sistemas (Nishikawa et al. 2007). A neuromecânica pode ser simulada conectando modelos computacionais de circuitos neurais a modelos de corpos animais situados em mundos físicos virtuais (Edwards 2010). A análise experimental da biomecânica, incluindo a cinemática e dinâmica dos movimentos, o processo e os padrões do feedback motor e sensorial durante os processos de movimento e o circuito e a organização sináptica do cérebro responsável pelo controle motor estão todos sendo pesquisados ​​para compreender a complexidade do movimento animal . O laboratório da Dra. Michelle LaPlaca no Instituto de Tecnologia da Geórgia está envolvido no estudo de estiramento mecânico de culturas de células, deformação por cisalhamento de culturas de células planas e deformação por cisalhamento de células 3D contendo matrizes. A compreensão desses processos é seguida pelo desenvolvimento de modelos de funcionamento capazes de caracterizar esses sistemas em condições de malha fechada com parâmetros especialmente definidos. O estudo da neuromecânica visa melhorar o tratamento de problemas fisiológicos de saúde, o que inclui a otimização do desenho das próteses, a restauração do movimento pós-lesão e o desenho e controle de robôs móveis. Ao estudar estruturas em hidrogéis 3D, os pesquisadores podem identificar novos modelos de mecanopropriedades de células nervosas. Por exemplo, LaPlaca et al. desenvolveram um novo modelo mostrando que a cepa pode desempenhar um papel na cultura de células (LaPlaca et al. 2005).

Neuromodulação

A neuromodulação visa tratar doenças ou lesões empregando tecnologias de dispositivos médicos que aumentam ou suprimem a atividade do sistema nervoso com a entrega de agentes farmacêuticos, sinais elétricos ou outras formas de estímulo de energia para restabelecer o equilíbrio em regiões prejudicadas do cérebro. Os pesquisadores neste campo enfrentam o desafio de vincular os avanços na compreensão dos sinais neurais aos avanços nas tecnologias que fornecem e analisam esses sinais com maior sensibilidade, biocompatibilidade e viabilidade em esquemas de circuitos fechados no cérebro, de modo que novos tratamentos e aplicações clínicas possam ser criados para tratar aqueles que sofrem de danos neurais de vários tipos. Dispositivos neuromoduladores podem corrigir disfunções do sistema nervoso relacionadas à doença de Parkinson, distonia, tremor, síndrome de Tourette, dor crônica, TOC, depressão severa e, eventualmente, epilepsia. A neuromodulação é atraente como tratamento para vários defeitos porque se concentra no tratamento de regiões altamente específicas do cérebro, contrastando com os tratamentos sistêmicos que podem ter efeitos colaterais no corpo. Estimuladores neuromoduladores, como matrizes de microeletrodos, podem estimular e registrar a função cerebral e, com outras melhorias, devem se tornar dispositivos de entrega ajustáveis ​​e responsivos para drogas e outros estímulos.

Recrescimento neural e reparo

A engenharia e reabilitação neural aplicam a neurociência e a engenharia para investigar a função do sistema nervoso central e periférico e para encontrar soluções clínicas para problemas criados por danos ou mau funcionamento do cérebro. A engenharia aplicada à neurorregeneração se concentra em dispositivos e materiais de engenharia que facilitam o crescimento de neurônios para aplicações específicas, como regeneração de lesão de nervo periférico, regeneração do tecido da medula espinhal para lesão da medula espinhal e regeneração do tecido retinal. A engenharia genética e a engenharia de tecidos são áreas que desenvolvem estruturas para a medula espinhal crescer, ajudando assim a problemas neurológicos (Schmidt & Leach 2003).

Pesquisa e aplicações

A pesquisa focada na engenharia neural utiliza dispositivos para estudar como o sistema nervoso funciona e funciona mal (Schmidt & Leach 2003).

Imagem neural

Técnicas de neuroimagem são usadas para investigar a atividade das redes neurais, bem como a estrutura e função do cérebro. As tecnologias de neuroimagem incluem imagens de ressonância magnética funcional (fMRI), imagens de ressonância magnética (MRI), tomografia por emissão de pósitrons (PET) e varreduras de tomografia axial computadorizada (CAT). Os estudos de neuroimagem funcional estão interessados ​​em quais áreas do cérebro realizam tarefas específicas. A fMRI mede a atividade hemodinâmica que está intimamente ligada à atividade neural. É usado para mapear as respostas metabólicas em regiões específicas do cérebro a uma determinada tarefa ou estímulo. PET, tomografia computadorizada e eletroencefalografia (EEG) estão sendo aprimorados e usados ​​para fins semelhantes.

Redes neurais

Os cientistas podem usar observações experimentais de sistemas neuronais e modelos teóricos e computacionais desses sistemas para criar redes neurais com a esperança de modelar sistemas neurais da maneira mais realista possível. As redes neurais podem ser usadas para análises para ajudar a projetar outros dispositivos neurotecnológicos. Especificamente, os pesquisadores lidam com a modelagem analítica ou de elementos finitos para determinar o controle dos movimentos do sistema nervoso e aplicam essas técnicas para ajudar os pacientes com lesões ou distúrbios cerebrais. Redes neurais artificiais podem ser construídas a partir de modelos teóricos e computacionais e implementadas em computadores a partir de equações de dispositivos teoricamente ou resultados experimentais de comportamento observado de sistemas neuronais. Os modelos podem representar a dinâmica da concentração de íons, cinética do canal, transmissão sináptica, computação de neurônio único, metabolismo do oxigênio ou aplicação da teoria do sistema dinâmico (LaPlaca et al. 2005). O conjunto de modelo baseado em líquido foi usado para projetar redes neurais 3D a partir de grânulos de microtransportadores semeados por neurônios.

Interfaces neurais

As interfaces neurais são um elemento importante usado para estudar sistemas neurais e aumentar ou substituir a função neuronal por dispositivos de engenharia. Os engenheiros são desafiados a desenvolver eletrodos que podem registrar seletivamente de circuitos eletrônicos associados para coletar informações sobre a atividade do sistema nervoso e estimular regiões específicas do tecido neural para restaurar a função ou sensação desse tecido (Cullen et al. 2011). Os materiais usados ​​para esses dispositivos devem corresponder às propriedades mecânicas do tecido neural em que são colocados e o dano deve ser avaliado. A interface neural envolve a regeneração temporária de andaimes de biomateriais ou eletrodos crônicos e deve gerenciar a resposta do corpo a materiais estranhos. Matrizes de microeletrodos são avanços recentes que podem ser usados ​​para estudar redes neurais (Cullen & Pfister 2011). As interfaces neurais ópticas envolvem gravações ópticas e estimulação optogenética que torna as células cerebrais sensíveis à luz. Fibras ópticas podem ser implantadas no cérebro para estimular e registrar a atividade dos fótons, em vez dos eletrodos. A microscopia de excitação de dois fótons pode estudar redes neuronais vivas e os eventos de comunicação entre os neurônios.

Interfaces cérebro-computador

As interfaces cérebro-computador procuram comunicar-se diretamente com o sistema nervoso humano para monitorar e estimular circuitos neurais, bem como diagnosticar e tratar disfunções neurológicas intrínsecas. A estimulação cerebral profunda é um avanço significativo neste campo que é especialmente eficaz no tratamento de distúrbios do movimento, como a doença de Parkinson, com estimulação de alta frequência do tecido neural para suprimir tremores (Lega et al. 2011).

Microssistemas

Microssistemas neurais podem ser desenvolvidos para interpretar e fornecer sinais elétricos, químicos, magnéticos e ópticos ao tecido neural. Eles podem detectar variações no potencial de membrana e medir propriedades elétricas, como população de pico, amplitude ou taxa, usando eletrodos ou pela avaliação de concentrações químicas, intensidade de luz fluorescente ou potencial de campo magnético. O objetivo desses sistemas é fornecer sinais que influenciariam o potencial do tecido neuronal e, assim, estimular o tecido cerebral a evocar a resposta desejada (He 2005).

Matrizes de microeletrodos

Matrizes de microeletrodos são ferramentas específicas usadas para detectar as mudanças bruscas na voltagem nos ambientes extracelulares que ocorrem a partir da propagação de um potencial de ação por um axônio. Dr. Mark Allen e Dr. LaPlaca têm eletrodos 3D microfabricados de materiais citocompatíveis, como polímeros SU-8 e SLA, que levaram ao desenvolvimento de sistemas de microeletrodos in vitro e in vivo com as características de alta conformidade e flexibilidade para minimizar a ruptura do tecido .

Próteses neurais

Neuroprosthetics são dispositivos capazes de suplementar ou substituir funções ausentes do sistema nervoso, estimulando o sistema nervoso e registrando sua atividade. Eletrodos que medem o disparo de nervos podem se integrar a dispositivos protéticos e sinalizar para que desempenhem a função pretendida pelo sinal transmitido. Próteses sensoriais usam sensores artificiais para substituir a entrada neural que pode estar faltando em fontes biológicas (He 2005). Os engenheiros que pesquisam esses dispositivos são encarregados de fornecer uma interface artificial crônica e segura com o tecido neuronal. Talvez a mais bem-sucedida dessas próteses sensoriais seja o implante coclear, que restaurou as habilidades auditivas dos surdos. A prótese visual para restaurar as capacidades visuais de pessoas cegas ainda está em estágios mais elementares de desenvolvimento. Próteses motoras são dispositivos envolvidos com a estimulação elétrica do sistema neuromuscular biológico que podem substituir os mecanismos de controle do cérebro ou da medula espinhal. Próteses inteligentes podem ser projetadas para substituir membros ausentes controlados por sinais neurais por meio do transplante de nervos do coto de um amputado para os músculos. As próteses sensoriais fornecem feedback sensorial ao transformar estímulos mecânicos da periferia em informações codificadas acessíveis pelo sistema nervoso. Eletrodos colocados na pele podem interpretar sinais e controlar o membro protético. Essas próteses têm tido muito sucesso. A estimulação elétrica funcional (FES) é um sistema que visa restaurar os processos motores, como ficar em pé, andar e agarrar as mãos.

Neurorobótica

Neurorobótica é o estudo de como os sistemas neurais podem ser incorporados e os movimentos emulados em máquinas mecânicas. Neurorrobôs são normalmente usados ​​para estudar o controle motor e locomoção, aprendizagem e seleção de memória e sistemas de valores e seleção de ação. Ao estudar neurorrobôs em ambientes do mundo real, eles são mais facilmente observados e avaliados para descrever heurísticas da função do robô em termos de seus sistemas neurais embutidos e as reações desses sistemas ao seu ambiente (Krichmar 2008). Por exemplo, fazendo uso de um modelo computacional de dinâmica de onda epilética, já foi comprovada a eficácia de um método para simular a redução de crises por meio de um protocolo pseudo-espectral. O modelo computacional emula a conectividade do cérebro usando uma ressonância magnética de imagem de um paciente que sofre de epilepsia generalizada idiopática. O método foi capaz de gerar estímulos capazes de diminuir as convulsões.

Regeneração do tecido neural

A regeneração do tecido neural, ou neurorregeneração, visa restaurar a função dos neurônios que foram danificados em lesões pequenas e maiores, como as causadas por lesão cerebral traumática. A restauração funcional de nervos danificados envolve o restabelecimento de um caminho contínuo para a regeneração de axônios até o local de inervação. Pesquisadores como o Dr. LaPlaca do Instituto de Tecnologia da Geórgia estão procurando ajudar a encontrar tratamento para reparo e regeneração após lesão cerebral traumática e lesão da medula espinhal , aplicando estratégias de engenharia de tecidos. O Dr. LaPlaca está procurando métodos que combinem células-tronco neurais com uma matriz extracelular baseada em proteína para aplicação minimamente invasiva nas lesões de formato irregular que se formam após um insulto traumático. Ao estudar as células-tronco neurais in vitro e explorar fontes celulares alternativas, desenvolver novos biopolímeros que poderiam ser utilizados em um andaime e investigar transplantes de construção de células ou tecidos in vivo em modelos de cérebro traumático e lesão da medula espinhal, os objetivos do laboratório do Dr. LaPlaca para identificar estratégias ideais para a regeneração do nervo após lesão.

Abordagens atuais para o tratamento clínico

A sutura cirúrgica ponta a ponta das extremidades dos nervos danificados pode reparar pequenas lacunas com enxertos de nervos autólogos. Para lesões maiores, um enxerto de nervo autólogo retirado de outro local do corpo pode ser usado, embora esse processo seja demorado, caro e requeira duas cirurgias (Schmidt & Leach 2003). O tratamento clínico para o SNC está minimamente disponível e se concentra principalmente na redução dos danos colaterais causados ​​por fragmentos ósseos próximos ao local da lesão ou inflamação. Depois que o inchaço ao redor da lesão diminui, os pacientes são submetidos à reabilitação para que os nervos restantes possam ser treinados para compensar a falta de função nervosa nos nervos lesados. Nenhum tratamento existe atualmente para restaurar a função nervosa dos nervos do SNC que foram danificados (Schmidt & Leach 2003).

Estratégias de engenharia para reparo

As estratégias de engenharia para o reparo da lesão da medula espinhal se concentram na criação de um ambiente amigável para a regeneração nervosa. Apenas o dano ao nervo PNS foi clinicamente possível até agora, mas os avanços na pesquisa de técnicas genéticas e biomateriais demonstram o potencial para os nervos SC se regenerarem em ambientes permitidos.

Enxertos

As vantagens dos enxertos de tecido autólogo são que eles vêm de materiais naturais que têm uma alta probabilidade de biocompatibilidade, ao mesmo tempo que fornecem suporte estrutural aos nervos que estimulam a adesão e migração celular (Schmidt & Leach 2003). Tecido nãoutólogo, enxertos acelulares e materiais baseados em matriz extracelular são todas opções que também podem fornecer uma estrutura ideal para a regeneração do nervo . Alguns vêm de tecidos alogênicos ou xenogênicos que devem ser combinados com imunossupressores . enquanto outros incluem a submucosa do intestino delgado e enxertos de tecido amniótico (Schmidt & Leach 2003). Os materiais sintéticos são opções atraentes porque suas propriedades físicas e químicas podem ser normalmente controladas. Um desafio que permanece com os materiais sintéticos é a biocompatibilidade (Schmidt & Leach 2003). As construções à base de metilcelulose demonstraram ser uma opção biocompatível para esse propósito (Tate et al. 2001). A AxoGen usa a tecnologia de enxerto de células AVANCE para imitar um nervo humano. Foi demonstrado que consegue uma recuperação significativa em 87 por cento dos pacientes com lesões nos nervos periféricos.

Canais de orientação nervosa

Canais de orientação de nervos, conduítes de orientação de nervos são estratégias inovadoras com foco em defeitos maiores que fornecem um conduto para axônios germinando, direcionando o crescimento e reduzindo a inibição do crescimento do tecido cicatricial. Os canais de orientação nervosa devem ser prontamente formados em um conduto com as dimensões desejadas, esterilizável, resistente a rasgos e fácil de manusear e suturar (Schmidt & Leach 2003). Idealmente, eles se degradariam com o tempo com a regeneração do nervo, seriam flexíveis, semipermeáveis, manteriam sua forma e teriam uma parede interna lisa que imita a de um nervo real (Schmidt & Leach 2003).

Terapias biomoleculares

Sistemas de entrega altamente controlados são necessários para promover a regeneração neural . Fatores neurotróficos podem influenciar o desenvolvimento, sobrevivência, crescimento e ramificação. As neurotrofinas incluem fator de crescimento do nervo (NGF), fator neurotrófico derivado do cérebro (BDNF), neurotrofina-3 (NT-3) e neurotrofina-4/5 (NT-4/5). Outros fatores são o fator neurotrófico ciliar (CNTF), fator de crescimento derivado da linha celular glial (GDNF) e fator de crescimento de fibroblastos ácido e básico (aFGF, bFGF) que promovem uma gama de respostas neurais. (Schmidt & Leach 2003) A fibronectina também tem sido mostrado para apoiar a regeneração do nervo após TBI em ratos (Tate et al. 2002). Outras terapias procuram a regeneração dos nervos por meio da regulação positiva dos genes associados à regeneração (RAGs), componentes neuronais do citoesqueleto e fatores antiapoptose . RAGs incluem GAP-43 e Cap-23, moléculas de adesão , como família L1 , NCAM e N-caderina (Schmidt & Leach 2003). Também existe o potencial de bloquear biomoléculas inibidoras no SNC devido à cicatriz glial. Alguns atualmente sendo estudados são os tratamentos com condroitinase ABC e o bloqueio de NgR, ADP-ribose (Schmidt & Leach 2003).

Técnicas de entrega

Os dispositivos de administração devem ser biocompatíveis e estáveis ​​in vivo. Alguns exemplos incluem bombas osmóticas, reservatórios de silicone, matrizes poliméricas e microesferas. As técnicas de terapia gênica também foram estudadas para fornecer produção de fatores de crescimento a longo prazo e podem ser administradas com vetores virais ou não virais, como lipoplexos. As células também são veículos de entrega eficazes para componentes de ECM, fatores neurotróficos e moléculas de adesão celular. Células ensheathing olfativas (OECs) e células-tronco, bem como células geneticamente modificadas, têm sido usadas como transplantes para apoiar a regeneração nervosa (LaPlaca et al. 2005, Schmidt & Leach 2003, Tate et al. 2002).

Terapias avançadas

As terapias avançadas combinam canais de orientação complexos e múltiplos estímulos que se concentram em estruturas internas que imitam a arquitetura do nervo contendo matrizes internas de fibras ou canais alinhados longitudinalmente. A fabricação dessas estruturas pode usar várias tecnologias: alinhamento de fibra de polímero magnético, moldagem por injeção, separação de fases, fabricação de forma livre sólida e impressão de polímero a jato de tinta (Schmidt & Leach 2003).

Aprimoramento neural

O aumento dos sistemas neurais humanos, ou aprimoramento humano usando técnicas de engenharia, é outra aplicação possível da neuroengenharia. Já foi demonstrado que a estimulação cerebral profunda melhora a recuperação da memória, conforme observado por pacientes que atualmente usam este tratamento para distúrbios neurológicos. As técnicas de estimulação cerebral são postuladas para serem capazes de esculpir emoções e personalidades, bem como aumentar a motivação, reduzir inibições, etc. conforme solicitado pelo indivíduo. As questões éticas com esse tipo de aumento humano são um novo conjunto de questões que os engenheiros neurais precisam enfrentar à medida que esses estudos se desenvolvem.

Veja também

Referências

links externos