末梢神経インターフェース

末梢神経インターフェースは、末梢神経系とコンピュータインターフェースをつなぐ橋渡しであり、人体と機械プロセッサの間で信号を記録および送信する双方向の情報変換器として機能します。神経系へのインターフェースは通常、刺激と記録用の電極の形をとりますが、化学的な刺激と感知も可能です。^[1]この分野の研究は、病気や怪我の後の機能を回復させ、関連する損失を最小限に抑えるための末梢神経インターフェースの開発に焦点が当てられています。末梢神経インターフェースは、末梢神経系の電気刺激と記録を可能にし、末梢神経系の形態と機能を研究することもできます。たとえば、最近の動物実験では、関節角度などの生理学的に意味のある測定値を高い精度で追跡できることが実証されています。^[2]^{[3]多くの研究者は、自然な}感覚運動制御と機能を模倣するために、人間の神経系をバイオニクスにリンクする神経補綴の分野にも焦点を当てています。 ^{[4]末梢神経インターフェースの移植が成功するかどうかは、適切な}適応、周術期テスト、差別化された計画、機能訓練など、いくつかの要因に左右されます。 ^[5]典型的には、微小電極デバイスは末梢神経系との接触を確立するために神経幹の近傍、周囲、または内部に埋め込まれる。望ましい信号と達成可能な信号の種類に応じて、さまざまなアプローチが使用される場合がある。

関数

神経インターフェースの主な目的は、神経系との双方向の情報交換を長時間にわたって可能にし、効果的で高密度の刺激と記録を可能にすることです。末梢神経系 (PNS) は、脳と脊髄から体の末端まで情報を中継し、またその逆戻りさせる役割を担っています。末梢神経インターフェースの機能は、末梢神経機能が損なわれたときに神経系を補助することです。神経系の役割を補うために、インターフェースは運動機能を増強し、感覚情報を識別する必要があります。末梢神経刺激によって望ましい運動出力が得られる可能性が実証されており、この研究分野の主な原動力の 1 つです。^[6] 神経系全体の情報は、主に活動電位を通じて交換されます。これらの信号は、個人および局所領域の神経解剖学的および神経化学的構成に応じて、さまざまな数と間隔で発生します。情報は、身体から活動電位を誘発または回復することによって導入または読み取られます。末梢神経インターフェースの開発と実装が成功すれば、神経系への情報の導入と神経系からの情報の抽出の両方が可能になります。

問題点と限界

末梢神経インターフェースにおける問題と限界は、本質的に生物物理学的かつ生物学的である。これらの課題^[1]には以下が含まれる。

機能的解像度の観点から見たインターフェースの忠実度
比較的弱く、ノイズの多い電気信号が、難しいインターフェース設計上の制約を引き起こす
関心対象の神経線維に対するインターフェースインプラント関連損傷
炎症による時間の経過に伴う界面の安定性
身体運動や炎症に関連した神経活動の誘発による痛みや誤った感覚/運動刺激などの意図しない結果の管理

応用

末梢神経インターフェースは、疼痛調節、^[7]脊髄損傷または脳卒中後の運動機能の回復、^[8]迷走神経の電気刺激によるてんかん治療、^[9] 排尿を制御するための神経刺激、慢性片頭痛に対する後頭神経刺激、および神経補綴とのインターフェースに使用されます。

種類

多種多様な電極設計が研究、試験、製造されてきた。^[10]^[11]これらの電極は、侵襲性の度合いが異なる範囲に存在する。この分野の研究では、末梢神経/組織の損傷、遠心性および求心性信号へのアクセス、神経組織の選択的記録/刺激を中心とした問題の解決を目指している。理想的な末梢神経インターフェースは、末梢神経線維の生物学的制約とインターフェースし、周囲の組織の機械的および電気的特性と一致し、免疫反応が最小限で生体適合性があり、センサー解像度が高く、侵襲性が最小限で、信号対雑音比が低く慢性的に安定するように最適に設計されている。最も強い信号はランビエ絞輪から記録される。末梢神経インターフェースは、神経外と神経束内のカテゴリーに分けられる。

神経上膜電極インターフェース

神経上膜電極は、末梢神経と接触する 2 つ以上の接触部位を保持する縦方向のストリップとして製造されます。これらの電極は神経上に配置され、神経上膜に縫合して固定されます。縫合プロセスには繊細な手術が必要であり、過度の動きによって緊張が生じると神経から引き裂かれる可能性があります。電極は神経上膜に縫合されるため、神経幹を損傷する可能性は低くなります。

らせん電極インターフェース

らせん電極は神経の周囲に配置され、らせん状のデザインの柔軟なプラチナリボンで作られています。このデザインにより、電極は神経のサイズと形状に適合し、機械的外傷を最小限に抑えることができます。構造設計により選択性が低くなります。現在、らせん電極は、難治性てんかん、睡眠時無呼吸を制御し、うつ病症候群を治療するための迷走神経の FES 刺激に使用されています。

ブック電極インターフェース

ブック電極は、スロット付きのシリコンゴムブロックで構成されています。各スロットには、電極、陽極電極、および陰極として機能する 3 つの白金箔が含まれています。神経の脊髄根はこれらのスロットに配置され、スロットはシリコン製のフラップで覆われ、シリコン接着剤で固定されます。この電極は主に、背仙骨根の反射回路を遮断し、膀胱機能を制御するために使用されます。ブック電極は依然として非常にかさばると考えられています。

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