نوروپروتز

**نوروپروتزها** (که با عنوان **پروتزهای عصبی** نیز شناخته می‌شوند) شاخه‌ای از علوم اعصاب و مهندسی پزشکی است که به توسعهٔ پروتزهای عصبی می‌پردازد. این ابزارها گاهی در برابر واسط مغز و رایانه قرار داده می‌شوند؛ چرا که رابط مغز و رایانه مغز را به یک رایانه متصل می‌کند، در حالی که نوروپروتزها برای جایگزینی عملکردهای زیستی از دست‌رفته طراحی شده‌اند.

پروتزهای عصبی مجموعه‌ای از دستگاه‌ها هستند که می‌توانند جایگزین یک کارکرد حرکتی، حسی یا شناختی شوند که بر اثر آسیب یا بیماری از بین رفته است. کاشت حلزون نمونه‌ای از این ابزارها است. این دستگاه عملکرد پردهٔ گوش و استخوان رکابی را جایگزین می‌کند و هم‌زمان فرایند تحلیل فرکانسی انجام‌شده در حلزون گوش را شبیه‌سازی می‌کند. یک میکروفون در بخش خارجی صدا را گردآوری و پردازش می‌کند؛ سپس سیگنال پردازش‌شده به بخش کاشته‌شده منتقل می‌شود و از طریق یک آرایهٔ میکروالکترود عصب شنوایی را تحریک می‌کند. این ابزارها با جایگزینی یا تقویت حواس آسیب‌دیده، برای بهبود کیفیت زندگی افراد دارای ناتوانی طراحی می‌شوند.

این ابزارهای کاشتنی همچنین به‌طور گسترده در آزمایش‌های حیوانی برای کمک به پژوهشگران علوم اعصاب در درک بهتر مغز و کارکردهای آن به‌کار می‌روند. با پایش بی‌سیم سیگنال‌های الکتریکی مغز که از طریق الکترودهای کاشته‌شده دریافت می‌شوند، می‌توان بدون دخالت مستقیم ابزار در نتایج، فعالیت مغز را بررسی کرد. ثبت دقیق این سیگنال‌ها به درک بهتر رابطهٔ میان جمعیت‌های موضعی نورون‌ها که مسئول یک کارکرد خاص هستند، کمک می‌کند.

ایمپلنت‌های عصبی معمولاً به‌گونه‌ای طراحی می‌شوند که تا حد ممکن کوچک و کم‌تهاجمی باشند، به‌ویژه در نواحی اطراف مغز، چشم یا حلزون گوش. این ایمپلنت‌ها اغلب با اجزای پروتزی خود به‌صورت بی‌سیم ارتباط برقرار می‌کنند. علاوه بر این، توان موردنیاز آن‌ها از طریق انتقال بی‌سیم انرژی از میان پوست دریافت می‌شود. با توجه به حساسیت زیاد بافت اطراف ایمپلنت به افزایش دما، مصرف انرژی باید بسیار پایین باشد تا از آسیب بافتی جلوگیری شود.

در حال حاضر پرکاربردترین نوروپروتز، کاشت حلزون است که تا سال ۲۰۱۹ بیش از ۷۳۶٬۹۰۰ مورد از آن در سراسر جهان استفاده شده است.

## تاریخچه
نخستین کاشت حلزون شناخته‌شده در سال ۱۹۵۷ انجام شد. دیگر دستاوردهای مهم شامل نخستین پروتز حرکتی برای افتادگی پا در همی‌پلژی در سال ۱۹۶۱، نخستین ایمپلنت ساقهٔ مغزی شنوایی در سال ۱۹۷۷ و پیوند یک عصب محیطی به نخاع یک موش بالغ در سال ۱۹۸۱ است. در سال ۱۹۸۸، ایمپلنت ریشه قدامی کمری و تحریک الکتریکی کارکردی (FES) به‌ترتیب امکان ایستادن و راه رفتن را برای گروهی از افراد پاراپلژی فراهم کرد.

در زمینهٔ توسعهٔ الکترودهای کاشته‌شده در مغز، یکی از دشواری‌های اولیه ، تعیین دقیق جایگاه الکترودها بود. در آغاز این کار با وارد کردن سوزن‌ها و شکستن آن‌ها در عمق مورد نظر انجام می‌شد. سامانه‌های جدیدتر از پروب‌های پیشرفته‌تری استفاده می‌کنند، مانند آن‌هایی که در تحریک عمقی مغز برای کاهش علائم بیماری پارکینسون به‌کار می‌روند. مشکل هر دو رویکرد این است که مغز درون جمجمه آزادانه حرکت می‌کند، در حالی که پروب ثابت است و حتی ضربه‌های نسبتاً خفیف، مانند یک تصادف با سرعت پایین، می‌تواند آسیب‌زا باشد. برخی پژوهشگران، مانند کِنسال وایز در دانشگاه میشیگان، پیشنهاد داده‌اند که «الکترودهایی که بر سطح خارجی مغز قرار می‌گیرند» به سطح درونی جمجمه متصل شوند. با این حال، حتی در صورت موفقیت، این اتصال مشکل دستگاه‌هایی را که برای ورود به عمق مغز طراحی شده‌اند، مانند مورد تحریک عمقی مغز (DBS)، برطرف نمی‌کند.

## پروتزهای حسی
### پروتزهای بینایی

یک پروتز بینایی می‌تواند با تحریک الکتریکی نورون‌های موجود در سامانه بینایی، حسی شبیه تصویر ایجاد کند. در این فرایند یک دوربین به‌صورت بی‌سیم به ایمپلنت داده می‌فرستد و ایمپلنت تصویر را بر روی یک آرایه از الکترودها بازتوزیع می‌کند. این آرایه باید بتواند حدود ۶۰۰ تا ۱۰۰۰ نقطه را به‌طور مؤثر تحریک کند؛ تحریک این نورون‌های بینایی در شبکیه باعث ایجاد یک تصویر می‌شود. تحریک همچنین می‌تواند در هر نقطه‌ای از مسیر سیگنال بینایی انجام شود؛ برای نمونه می‌توان عصب بینایی یا قشر بینایی را تحریک کرد، هرچند آزمون‌های بالینی بیشترین موفقیت را برای ایمپلنت‌های شبکیه نشان داده‌اند.

یک سامانهٔ پروتز بینایی شامل یک سامانهٔ تصویربرداری خارجی (یا کاشتنی) است که ویدئو را دریافت و پردازش می‌کند. توان و داده به‌صورت بی‌سیم از واحد خارجی به ایمپلنت منتقل می‌شود. ایمپلنت از توان و دادهٔ دریافت‌شده برای تبدیل دادهٔ دیجیتال به خروجی آنالوگ استفاده می‌کند که از طریق میکروالکترودها به عصب تحویل داده می‌شود.

گیرنده‌های نوری نورون‌های تخصصی هستند که فوتونها را به سیگنال‌های الکتریکی تبدیل می‌کنند. آن‌ها بخشی از شبکیه هستند؛ ساختاری عصبی و چندلایه به ضخامت حدود ۲۰۰ میکرومتر که پشت چشم را می‌پوشاند. سیگنال پردازش‌شده از طریق عصب بینایی به مغز منتقل می‌شود. اگر هر بخشی از این مسیر آسیب ببیند، نابینایی رخ خواهد داد.

نابینایی می‌تواند از آسیب به مسیر بینایی (مانند قرنیه، زلالیه، عدسی کریستالی و زجاجیه) ناشی شود. این آسیب ممکن است در اثر حادثه یا بیماری ایجاد شود. دو بیماری شایع تحلیل‌برندهٔ شبکیه که باعث نابینایی به‌دلیل از دست‌رفتن گیرنده‌های نوری می‌شوند، دژنراسیون ماکولا وابسته به سن (AMD) و رتینیت پیگمانتر (RP) هستند.

نخستین کارآزمایی بالینی یک پروتز شبکیهٔ کاشتنی دائمی شامل یک آرایهٔ میکروفوتودیود غیرفعال با ۳۵۰۰ عنصر بود. این کارآزمایی در سال ۲۰۰۰ در *شرکت اپتوبیونیکز*. اجرا شد. در سال ۲۰۰۲، *شرکت محصولات پزشکی دید دوم* (سیلمار، کالیفرنیا) آزمایش یک ایمپلنت اپی‌رتینال نمونه با ۱۶ الکترود را آغاز کرد. آزمودنی‌ها شش فرد با ادراک نوری بسیار ضعیف به‌علت RP بودند. این افراد توانستند توانایی خود در تشخیص سه شیء معمولی (بشقاب، فنجان و چاقو) را در سطحی بالاتر از حد تصادف نشان دهند. یک دستگاه فعال زیرشبکیه‌ای که توسط Retina Implant GMbH (روی‌تلینگن، آلمان) توسعه یافته بود، در سال ۲۰۰۶ وارد کارآزمایی بالینی شد. در این روش، یک مدار مجتمع با ۱۵۰۰ میکروفوتودیود زیر شبکیه کاشته شد. میکروفوتودیودها جریان پالسی را بر اساس میزان نور دریافتی توسط فوتودیود تنظیم می‌کردند.

کارهای آزمایشی بنیادین در زمینهٔ توسعهٔ پروتزهای بینایی با تحریک قشری و استفاده از شبکه‌ای از الکترودهای سطحی بزرگ انجام شد. در سال ۱۹۶۸ جایلز بریندلی دستگاهی با ۸۰ الکترود را بر سطح قشر بینایی یک زن ۵۲ ساله نابینا کاشت. در نتیجهٔ تحریک، بیمار توانست فسفنهایی را در ۴۰ نقطهٔ مختلف میدان دید مشاهده کند. این آزمایش نشان داد که یک دستگاه تحریک‌کنندهٔ الکتریکی کاشتنی می‌تواند تا حدی بینایی را بازگرداند. تلاش‌های اخیر در زمینهٔ پروتز قشر بینایی، اثربخشی تحریک قشر بینایی را در یک نخستی غیرانسانی ارزیابی کرده‌اند. در این آزمایش، پس از دوره‌ای آموزش و نگاشت، میمون توانست وظیفهٔ ساکاد بینایی را هم با تحریک نوری و هم با تحریک الکتریکی انجام دهد.

نیازهای یک پروتز شبکیه با وضوح بالا باید بر اساس خواسته‌ها و نیازهای افراد نابینایی تعیین شود که از این ابزار سود خواهند برد. تعامل با این بیماران نشان می‌دهد که توانایی حرکت بدون عصا، تشخیص چهره و خواندن، از اصلی‌ترین قابلیت‌های ضروری است.

نتایج و پیامدهای پروتزهای بینایی کاملاً کارآمد هیجان‌انگیز است. با این حال، چالش‌ها نیز جدی هستند. برای ایجاد یک تصویر با کیفیت در شبکیه به تعداد بالایی آرایهٔ میکروالکترودی نیاز است. همچنین کیفیت تصویر وابسته به میزان اطلاعاتی است که بتوان از طریق پیوند بی‌سیم انتقال داد. این حجم زیاد اطلاعات باید بدون اتلاف توان چشمگیر (که می‌تواند به بافت آسیب بزند) دریافت و پردازش شود. اندازهٔ ایمپلنت نیز نگرانی بزرگی است و هر ایمپلنتی بهتر است کم‌تهاجمی باشد.

با این فناوری نوین، چندین دانشمند از جمله کارن موکسون در درکسل، جان چاپین در SUNY و میگل نیکولِلیس در دوک، پژوهش در طراحی یک پروتز بینایی پیشرفته را آغاز کردند. برخی دانشمندان  با تمرکز پژوهش آن‌ها مخالفت کرده و استدلال کرده‌اند که پژوهش‌ها و طراحی‌های پایهٔ سیم‌های میکروسکوپی متراکم هنوز به اندازهٔ کافی پیشرفته نیست که بتوان ادامه داد.

### پروتزهای شنوایی

کاشت حلزون (CI)، ایمپلنت ساقه مغزی شنوایی (ABI) و ایمپلنت میان‌مغزی شنوایی (AMI) سه دستهٔ اصلی پروتزهای شنوایی هستند. آرایه‌های الکترودی CI در حلزون گوش کاشته می‌شوند، آرایه‌های ABI مجتمع هستهٔ حلزونی در بخش پایینی ساقه مغز را تحریک می‌کنند و AMIها نورون‌های شنوایی در کولیکولوس تحتانی را تحریک می‌کنند. کاشت حلزون در میان این سه دسته بیشترین موفقیت را داشته است. امروزه شرکت بیونیک پیشرفته، کوچلیر و مد-ال بزرگ‌ترین عرضه‌کنندگان تجاری کاشت حلزون هستند.

برخلاف سمعک‌های سنتی که صدا را تقویت کرده و از راه گوش بیرونی منتقل می‌کنند، کاشت حلزون صدا را دریافت و پردازش کرده و به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند تا سپس به عصب شنوایی منتقل شود. میکروفون سامانهٔ CI صدا را از محیط بیرونی می‌گیرد و به پردازنده می‌فرستد. پردازنده صدا را دیجیتال کرده و آن را به باندهای فرکانسی جداگانه تقسیم می‌کند که سپس به ناحیهٔ تونوتوپیک مناسب در حلزون گوش فرستاده می‌شوند که تقریباً با همان فرکانس‌ها متناظر است.

در سال ۱۹۵۷، پژوهشگران فرانسوی آ. جورنو و س. ایریس با کمک د. کایزر نخستین توصیف دقیق از تحریک مستقیم عصب شنوایی در یک انسان را ارائه دادند. افراد در حین تحریک، صداهایی شبیه جیک‌جیک را شنیدند. در سال ۱۹۷۲ نخستین سامانهٔ کاشت حلزون قابل‌حمل در یک فرد بالغ در کلینیک House Ear کاشته شد. سازمان غذا و داروی آمریکا (FDA) در نوامبر ۱۹۸۴ رسماً بازاریابی کاشت حلزون House-3M را تأیید کرد.

بهبود کارایی در کاشت حلزون نه تنها به درک محدودیت‌های فیزیکی و زیست‌فیزیکی تحریک کاشت بستگی دارد، بلکه نیازمند فهم نیازهای پردازش الگو در مغز نیز هست. پردازش سیگنال مدرن مهم‌ترین اطلاعات گفتار را بازنمایی می‌کند و هم‌زمان اطلاعات مورد نیاز مغز برای بازشناسی الگو را فراهم می‌آورد. بازشناسی الگو در مغز در شناسایی ویژگی‌های مهم گفتار مؤثرتر از پیش‌پردازش الگوریتمی است. ترکیبی از مهندسی، پردازش سیگنال، زیست‌فیزیک و علوم اعصاب شناختی برای ایجاد تعادل مناسب در فناوری و بیشینه‌کردن کارایی پروتز شنوایی ضروری بوده است.

کاشت حلزون همچنین برای امکان‌دادن به رشد زبان گفتاری در کودکانی که ناشنوایی مادرزادی دارند به‌کار رفته است و در صورت کاشت در سنین پایین (پیش از ۲ تا ۴ سالگی) موفقیت چشمگیری داشته است. تاکنون حدود ۸۰٬۰۰۰ کودک در سراسر جهان کاشت دریافت کرده‌اند.

مفهوم ترکیب تحریک هم‌زمان الکتریکی-آکوستیکی (EAS) برای بهبود شنوایی نخستین بار در سال ۱۹۹۹ توسط س. فون ایلبِرگ و ی. کیفر از کلینیک دانشگاهی فرانکفورت آلمان مطرح شد. در همان سال نخستین بیمار EAS تحت کاشت قرار گرفت. از اوایل دههٔ ۲۰۰۰ سازمان FDA درگیر یک کارآزمایی بالینی با دستگاهی شد که توسط شرکت کوچلیر با عنوان «هیبرید» معرفی شد. این آزمایش با هدف بررسی سودمندی کاشت حلزون در بیمارانی که هنوز شنوایی با فرکانس پایین باقی‌مانده دارند انجام شد. «Hybrid» از یک الکترود کوتاه‌تر از کاشت‌های استاندارد استفاده می‌کند؛ از آنجا که الکترود کوتاه‌تر است، ناحیهٔ بازیل حلزون و بنابراین ناحیهٔ تونوتوپیک فرکانس‌های بالا را تحریک می‌کند. در نظریه این دستگاه‌ها برای بیمارانی مناسب است که شنوایی با فرکانس پایین قابل‌توجهی دارند اما در محدودهٔ فرکانس گفتاری شنوایی خود را از دست داده‌اند و بنابراین نمرات تمایز گفتاری کاهش یافته است.

برای تولید صدا بنگرید به فرآوری گفتار.

### پروتزها برای تسکین درد

دستگاه تحریک‌کننده نخاع (SCS) دو بخش اصلی دارد: یک الکترود و یک مولد. هدف فنی SCS برای درد نوروپاتیک پوشاندن ناحیهٔ درد بیمار با احساس سوزن‌سوزن‌شدن ناشی از تحریک است که «پارستزی» نامیده می‌شود؛ زیرا این هم‌پوشانی برای دستیابی به تسکین درد لازم (هرچند کافی نیست) است. میزان پوشش پارستزی بستگی به این دارد که کدام عصب آوران تحریک شوند. آسان‌ترین اعصاب برای تحریک توسط یک الکترود خط میانی پشتی، نزدیک به سطح پیال نخاع، همان آوران‌های بزرگ ستون پشتی هستند که پارستزی گسترده‌ای ایجاد می‌کنند و بخش‌های پایین‌تر را در بر می‌گیرند.

در دوران باستان از ماهی الکتروژنیک به‌عنوان منبع شوک برای کاهش درد استفاده می‌شد. درمانگران شیوه‌های خاص و دقیقی برای بهره‌گیری از ویژگی‌های تولیدکنندهٔ برق این ماهی برای درمان انواع درد، از جمله سردرد، ابداع کرده بودند. به‌دلیل دشواری استفاده از یک منبع زندهٔ شوک، مهارت بالایی لازم بود تا درمان به‌طور دقیق و در مدت مناسب به هدف رسانده شود (از جمله زنده نگه‌داشتن ماهی تا حد امکان). الکتروآنالژزی نخستین کاربرد عمدی برق در پزشکی بود. تا قرن نوزدهم، بسیاری از پزشکان غربی برای بیماران خود الکتروتراپی با ژنراتورهای قابل‌حمل ارائه می‌کردند. با این حال، در میانهٔ دههٔ ۱۹۶۰ سه تحول زمینه‌ساز آیندهٔ تحریک الکتریکی شدند:
# فناوری ضربان‌ساز قلب که در ۱۹۵۰ آغاز شده بود، در دسترس قرار گرفت.
# مِلزاک و وال نظریهٔ درد را منتشر کردند که بیان می‌کرد انتقال درد می‌تواند با تحریک فیبرهای آوران بزرگ مسدود شود.
# پزشکان پیشگام به تحریک دستگاه عصبی برای رهایی بیماران از درد علاقه‌مند شدند.

گزینه‌های طراحی برای الکترود شامل اندازه، شکل، آرایش، تعداد، تخصیص تماس‌ها و روش کاشت آن‌ها است. گزینه‌های طراحی برای مولد پالس شامل منبع انرژی، محل کاشت آناتومیک هدف، منبع جریان یا ولتاژ، نرخ پالس، عرض پالس و تعداد کانال‌های مستقل است. گزینه‌های برنامه‌ریزی بسیار متنوع‌اند (برای نمونه، یک الکترود چهارتماسی ۵۰ ترکیب دوقطبی کاربردی ارائه می‌دهد). دستگاه‌های کنونی از تجهیزات رایانه‌ای برای یافتن بهترین گزینه‌ها استفاده می‌کنند. این امکانِ بازبرنامه‌ریزی به جبران تغییرات وضعیتی بدن، جابه‌جایی الکترود، تغییر محل درد و جایگذاری نامطلوب الکترود کمک می‌کند.

## پروتزهای حرکتی
دستگاه‌هایی که از کارکرد دستگاه عصبی خودمختار پشتیبانی می‌کنند شامل ایمپلنت برای کنترل مثانه هستند. در دستگاه عصبی پیکری، تلاش‌ها برای کمک به کنترل آگاهانهٔ حرکت شامل تحریک الکتریکی کارکردی و تحریک‌کننده ریشه قدامی کمری می‌شود.

### ایمپلنت‌های کنترل مثانه

زمانی که آسیب نخاعی به پاراپلژی منجر شود، بیماران در تخلیهٔ مثانهٔ خود دچار مشکل می‌شوند و این امر می‌تواند به عفونت بینجامد. از سال ۱۹۶۹ به بعد، بریندلی «تحریک‌کننده ریشه قدامی خاجی» را توسعه داد که از اوایل دههٔ ۱۹۸۰ کارآزمایی‌های انسانی موفقی داشت. این دستگاه بر روی گانگلیون‌های ریشه قدامی خاجی نخاع کاشته می‌شود؛ با کنترل یک فرستندهٔ خارجی، تحریک متناوبی ایجاد می‌کند که تخلیهٔ مثانه را بهبود می‌بخشد. این دستگاه همچنین به دفع کمک کرده و به بیماران مرد امکان می‌دهد تا نعوظ کامل و پایدار داشته باشند.

روش مرتبط «تحریک عصب خاجی» برای کنترل بی‌اختیاری در بیماران سالم به‌کار می‌رود.

### پروتزهای حرکتی برای کنترل آگاهانهٔ حرکت

پژوهشگران هم‌اکنون در حال بررسی و ساخت نوروپروتزهای حرکتی هستند که به بازگرداندن حرکت و توانایی برقراری ارتباط با دنیای بیرون در افراد دارای ناتوانی‌های حرکتی مانند تتراپلژی یا اسکلروز جانبی آمیوتروفیک کمک کند. پژوهش‌ها نشان داده‌اند که جسم مخطط نقش مهمی در یادگیری حسی-حرکتی دارد. این موضوع در آزمایشی نشان داده شد که در آن نرخ شلیک نورون‌های جسم مخطط موش‌های آزمایشگاهی پس از انجام متوالی یک وظیفه در سطح بالاتری ثبت شد.

برای ثبت سیگنال‌های الکتریکی مغز، دانشمندان میکروالکترودهایی کوچک‌تر از یک سانتی‌متر مربع طراحی کرده‌اند که می‌توان آن‌ها را در جمجمه کاشت تا فعالیت الکتریکی را ثبت کرده و اطلاعات را از طریق یک کابل نازک منتقل کنند. پس از دهه‌ها پژوهش بر روی میمون‌ها، عصب‌پژوهان توانسته‌اند سیگنال‌های نورونی را به حرکات رمزگشایی کنند. با تکمیل این ترجمه، پژوهشگران رابط‌هایی ساخته‌اند که به بیماران امکان می‌دهد نشانگر رایانه را حرکت دهند و در حال آغاز ساخت اندام‌های رباتیک و اسکلت‌های بیرونی هستند که بیماران بتوانند با فکر کردن به حرکت آن‌ها را کنترل کنند.

فناوری پشت نوروپروتزهای حرکتی هنوز در آغاز راه است. پژوهشگران و شرکت‌کنندگان در حال آزمودن شیوه‌های مختلف استفاده از پروتز هستند. برای نمونه، فکر کردن بیمار به مشت‌کردن دست نتیجه‌ای متفاوت از فکر کردن به ضربه‌زدن با انگشت دارد. فیلترهای به‌کاررفته در پروتزها نیز همچنان در حال اصلاح هستند و در آینده پزشکان امیدوارند ایمپلنتی بسازند که بتواند سیگنال‌ها را از درون جمجمه به‌صورت بی‌سیم منتقل کند، نه از طریق کابل.

پیش از این پیشرفت‌ها، فیلیپ کندی (اموری و جورجیا تک) سامانه‌ای عملیاتی ــ هرچند ابتدایی ــ ساخته بود که به فردی با فلج امکان می‌داد با تعدیل فعالیت مغزی خود کلمات را هجی کند. دستگاه کندی از دو الکترود نوروتروفیک استفاده می‌کرد: نخستین در ناحیهٔ قشری حرکتی سالم (مثلاً ناحیهٔ نمایهٔ انگشت) کاشته شد و برای حرکت‌دادن نشانگر میان گروهی از حروف به‌کار می‌رفت. دومی در ناحیهٔ حرکتی دیگری کاشته شد و برای انتخاب حروف استفاده می‌شد.

پیشرفت‌های بیشتری در جایگزینی دست‌های از دست‌رفته با اندام‌های سایبرنتیک با استفاده از اعصابی که معمولاً به عضلات سینه‌ای متصل هستند انجام شده است. این دست‌ها امکان دامنهٔ حرکتی نسبتاً محدودی دارند و گزارش شده است که قرار است به حسگرهایی برای تشخیص فشار و دما مجهز شوند.

دکتر تاد کویکن در دانشگاه نورث‌وسترن و مؤسسه بازتوانی شیکاگو روشی به نام عصب‌رسانی هدفمند توسعه داده است که به یک فرد قطع عضو امکان می‌دهد دستگاه‌های پروتزی موتوری را کنترل کرده و بازخورد حسی را دوباره به دست آورد.

در سال ۲۰۰۲ یک آرایه چندالکترودی متشکل از ۱۰۰ الکترود که اکنون بخش حسگر برین‌گیت را تشکیل می‌دهد، مستقیماً در رشته‌های عصب میانی دانشمند کوین وارویک کاشته شد. سیگنال‌های ثبت‌شده برای کنترل یک بازوی رباتیک که توسط همکار وارویک، پیتر کایبرد ساخته شده بود به‌کار رفت و توانست حرکات بازوی خود وارویک را تقلید کند. افزون بر این، نوعی بازخورد حسی نیز از طریق ایمپلنت فراهم شد که با عبور جریان‌های الکتریکی کوچک به عصب ایجاد می‌شد. این تحریک باعث انقباض نخستین ماهیچه لومبریکال دست شد و همین حرکت بود که ادراک شد.

در ژوئن ۲۰۱۴، جولیانو پینتو، یک ورزشکار پاراپلژیک، ضربهٔ آغازین مراسم افتتاحیهٔ جام جهانی فوتبال ۲۰۱۴ را با استفاده از یک اسکلت بیرونی توانمندشده با رابط مغز اجرا کرد. این اسکلت بیرونی توسط پروژهٔ Walk Again در آزمایشگاه میگل نیکولِلیس و با حمایت مالی دولت برزیل ساخته شد. نیکولِلیس می‌گوید بازخورد از اندام‌های جایگزین (برای نمونه، اطلاعات مربوط به فشاری که پای پروتزی هنگام تماس با زمین تجربه می‌کند) برای حفظ تعادل ضروری است. او دریافته است که تا زمانی که افراد بتوانند اندام‌های کنترل‌شده با رابط مغزی را در همان زمان اجرای فرمان حرکت ببینند، با استفادهٔ مکرر، مغز اندام توانمند بیرونی را درونی‌سازی کرده و آن را (از نظر آگاهی مکانی و بازخورد) بخشی از بدن تلقی می‌کند.

### تکنیک‌های قطع عضو
گروه بیومکاترونیک ام‌آی‌تی یک الگوی نوین برای قطع عضو طراحی کرده است که امکان می‌دهد عضلات زیستی و پروتزهای مایوالکتریکی با قابلیت اطمینان بالا به‌طور عصبی با هم در ارتباط باشند. این الگوی جراحی که «رابط میونورال آگونیست–آنتاگونیست» (AMI) نامیده می‌شود، به کاربر توانایی می‌دهد اندام پروتزی خود را همچون امتداد بدن خویش حس و کنترل کند، نه صرفاً وسیله‌ای شبیه به یک اندام مصنوعی. در یک رابطهٔ طبیعی میان عضلات آگونیست–آنتاگونیست (برای نمونه دوسر–سه‌سر)، هنگامی که عضلهٔ آگونیست منقبض می‌شود، عضلهٔ آنتاگونیست کشیده می‌شود و برعکس. این سازوکار موجب آگاهی فرد از موقعیت اندام خود بدون نیاز به نگاه‌کردن می‌شود. در یک قطع عضو استاندارد، عضلات آگونیست–آنتاگونیست (مانند دوسر–سه‌سر) از یکدیگر جدا می‌شوند و بدین‌ترتیب امکان داشتن سازوکار پویای انقباض–کشش که بازخورد حسی ایجاد می‌کند از میان می‌رود؛ بنابراین، افراد قطع عضو با جراحی‌های مرسوم هیچ راهی برای احساس محیط فیزیکی‌ای که اندام پروتزی آن‌ها با آن برخورد می‌کند ندارند. افزون بر این، در جراحی‌های کنونی قطع عضو که بیش از ۲۰۰ سال است اجرا می‌شوند، یک‌سوم بیماران به‌دلیل درد در انتهای عضو قطع‌شده نیازمند جراحی‌های اصلاحی هستند.

یک AMI از دو عضله تشکیل می‌شود که پیش‌تر دارای رابطهٔ آگونیست–آنتاگونیست بوده‌اند. در جریان جراحی قطع عضو، این دو عضله به‌صورت مکانیکی در درون کندهٔ قطع‌شده به یکدیگر متصل می‌شوند. برای هر درجه آزادی یک مفصل در بدن بیمار می‌توان یک جفت عضلهٔ AMI ایجاد کرد تا کنترل و حس چندین مفصل پروتزی فراهم شود. در آزمون‌های مقدماتی این رابط عصبی جدید، بیماران دارای AMI کنترل بیشتری بر پروتز خود نشان داده و گزارش کرده‌اند. همچنین در مقایسه با بیماران دارای قطع عضو سنتی، رفتار بازتابی طبیعی‌تری هنگام بالا و پایین‌رفتن از پله‌ها مشاهده شد.

یک AMI همچنین می‌تواند با ترکیب دو پیوند عضلهٔ بی‌خون‌رسانی‌شده ساخته شود. این پیوندهای عضلانی (یا فلپ‌ها) عضلات اضافه‌ای هستند که عصب‌گیری‌شان از بین رفته و از بخشی از بدن برداشته می‌شوند تا توسط اعصاب قطع‌شدهٔ موجود در اندامی که قرار است قطع شود، دوباره عصب‌گیری شوند. از طریق استفاده از فلپ‌های عضلانی بازتولیدشده می‌توان برای بیمارانی که بافت عضلانی آن‌ها دچار آتروفی یا آسیب شدید شده است یا بیمارانی که به‌دلایل مختلفی مانند درد نوروما یا خار استخوانی نیازمند اصلاح اندام قطع‌شده هستند، AMI ایجاد کرد.

## موانع
### مدل‌سازی ریاضی
توصیف دقیق پارامترهای ورودی/خروجی غیرخطی (I/O) در بافت سالمی که قرار است جایگزین شود، برای طراحی پروتزی که سیگنال‌های سیناپسی زیستی طبیعی را تقلید کند، حیاتی است. مدل‌سازی ریاضی این سیگنال‌ها کاری پیچیده است «زیرا پویایی‌های غیرخطی در سازوکارهای سلولی/مولکولی تشکیل‌دهندهٔ نورون‌ها و ارتباطات سیناپسی آن‌ها ذاتاً وجود دارد». خروجی تقریباً تمام نورون‌های مغز به این بستگی دارد که کدام ورودی‌های پساسیناپسی فعال باشند و این ورودی‌ها به چه ترتیبی دریافت شوند (به‌ترتیب ویژگی‌های فضایی و زمانی).

پس از مدل‌سازی ریاضی پارامترهای ورودی/خروجی، مدار مجتمع طراحی می‌شود تا سیگنال‌های زیستی طبیعی را تقلید کند. برای اینکه پروتز همانند بافت طبیعی عمل کند، باید سیگنال‌های ورودی را به همان شیوهٔ بافت طبیعی پردازش کند؛ این فرایند «تبدیل» نامیده می‌شود.

### اندازه
دستگاه‌های کاشتنی باید بسیار کوچک باشند تا بتوان آن‌ها را مستقیماً در مغز قرار داد؛ اندازه‌ای در حدود یک سکهٔ ۲۵ سنتی. یکی از نمونه‌های آرایهٔ میکروالکترود کاشتنی، آرایهٔ یوتا است.

دستگاه‌های کنترل بی‌سیم می‌توانند در بیرون از جمجمه نصب شوند و باید کوچک‌تر از یک پیجر باشند.

### مصرف انرژی
مصرف انرژی اندازهٔ باتری را تعیین می‌کند. بهینه‌سازی مدارهای کاشته‌شده نیاز به انرژی را کاهش می‌دهد. دستگاه‌های کاشتنی در حال حاضر به منابع توان درونی نیاز دارند. هنگامی که باتری تمام می‌شود، برای جایگزینی واحد باید جراحی انجام شود. هرچه عمر باتری بیشتر باشد، تعداد جراحی‌های موردنیاز برای تعویض باتری کمتر خواهد شد. یکی از گزینه‌ها برای شارژ باتری‌های ایمپلنت بدون نیاز به جراحی یا سیم، همان روشی است که در مسواک‌های برقی استفاده می‌شود. این دستگاه‌ها از شارژ القایی برای شارژ باتری‌ها استفاده می‌کنند. راهبرد دیگر تبدیل انرژی الکترومغناطیسی به انرژی الکتریکی است، همانند آنچه در برچسب‌های شناسایی با امواج رادیویی (سامانه بازشناسی با امواج رادیویی) به‌کار می‌رود.

### سازگاری زیستی
پروتزهای شناختی مستقیماً در مغز کاشته می‌شوند، بنابراین سازگاری زیستی مانع بسیار مهمی است که باید بر آن غلبه کرد. مواد به‌کاررفته در پوشش دستگاه، جنس الکترود (مانند اکسید ایریدیوم) و عایق‌کاری الکترودها باید برای کاشت بلندمدت انتخاب شوند. این موضوع مشمول استانداردهایی همچون: ISO 14708-3 2008-11-15، ایمپلنت‌های جراحی – دستگاه‌های پزشکی فعال کاشتنی، بخش ۳: تحریک‌کننده‌های عصبی کاشتنی است.

عبور از سد خونی مغزی می‌تواند پاتوژن‌ها یا مواد دیگری را وارد کند که ممکن است پاسخ ایمنی ایجاد کنند. مغز سامانهٔ ایمنی ویژهٔ خود را دارد که عملکردی متفاوت از دستگاه ایمنی سایر بخش‌های بدن دارد.

### انتقال داده
انتقال بی‌سیم در حال توسعه است تا امکان ثبت پیوستهٔ سیگنال‌های نورونی افراد در زندگی روزمره فراهم شود. این قابلیت به پزشکان و متخصصان بالینی اجازه می‌دهد داده‌های بیشتری گردآوری کنند و رویدادهای کوتاه‌مدتی مانند حملات صرع را ثبت کرده و در نتیجه درمان و شناسایی بیماری‌های عصبی را بهبود بخشند.

یک دستگاه کوچک و سبک در دانشگاه استنفورد ساخته شده است که امکان ثبت مداوم نورون‌های مغز نخستی‌ها را فراهم می‌کند. این فناوری همچنین به عصب‌پژوهان امکان می‌دهد مغز را بیرون از محیط کنترل‌شدهٔ آزمایشگاه مطالعه کنند.

روش‌های انتقال داده میان نوروپروتزها و سامانه‌های خارجی باید مقاوم و ایمن باشند. ایمپلنت‌های عصبی بی‌سیم می‌توانند همانند هر سامانهٔ فناوری اطلاعاتی دیگری در برابر آسیب‌پذیری‌های امنیت سایبری حساس باشند و این موضوع به پیدایش اصطلاح نوروامنیت انجامیده است. یک نقض نوروامنیتی می‌تواند به‌عنوان نقض حریم خصوصی پزشکی در نظر گرفته شود.

### کاشت درست
کاشت دستگاه مشکلات بسیاری به همراه دارد. نخست، ورودی‌های پیش‌سیناپسی باید به‌درستی به ورودی‌های پس‌سیناپسی در دستگاه متصل شوند. دوم، خروجی‌های دستگاه باید به‌طور دقیق بر روی بافت هدف هدایت شوند. سوم، مغز باید بیاموزد که چگونه از ایمپلنت استفاده کند. مطالعات گوناگون در زمینهٔ انعطاف‌پذیری مغز نشان می‌دهند که این امر ممکن است از طریق تمرین‌هایی که با انگیزهٔ مناسب طراحی شده‌اند امکان‌پذیر باشد.

## فناوری‌های درگیر
### پتانسیل‌های میدانی موضعی
پتانسیل میدانی موضعی (LFPs) سیگنال‌های الکتروفیزیولوژیکی هستند که به جمع تمام فعالیت‌های سیناپسی دندریتی در یک حجم از بافت مربوط می‌شوند. پژوهش‌های اخیر نشان می‌دهند که اهداف و ارزش مورد انتظار از جمله کارکردهای شناختی سطح بالا هستند که می‌توان از آن‌ها برای پروتزهای شناختی عصبی بهره گرفت.

همچنین دانشمندان دانشگاه رایس روشی تازه کشف کرده‌اند که به‌وسیلهٔ تغییرات اندک در سطحی که نانوذرات به آن متصل‌اند، امکان تنظیم ارتعاشات ناشی از نور در نانوذرات را فراهم می‌کند. به‌گفتهٔ این دانشگاه، این کشف می‌تواند به کاربردهای تازه‌ای در فوتونیک از جمله در پایش مولکولی تا ارتباطات بی‌سیم منجر شود. آن‌ها برای القای ارتعاش اتم‌ها در دیسک‌های نانویی طلا از پالس‌های لیزر فوق‌سریع استفاده کردند.

### پروب‌های الکتریکی متحرک خودکار
یکی از موانع مهم، کاشت بلندمدت الکترودها است. اگر الکترودها بر اثر شوک فیزیکی جابه‌جا شوند یا مغز نسبت به جایگاه الکترود حرکت کند، ممکن است الکترودها از عصب‌های متفاوتی ثبت کنند. تنظیم الکترودها برای حفظ سیگنال بهینه ضروری است. تنظیم تک‌به‌تک آرایه‌های چندالکترودی کاری بسیار زمان‌بر و دشوار است. توسعهٔ الکترودهایی با قابلیت تنظیم خودکار می‌تواند این مشکل را برطرف کند. گروه اندرسون در حال حاضر با آزمایشگاه یو-چانگ تای و آزمایشگاه بردیک (هر دو در کلتک) همکاری می‌کند تا سامانه‌ای بسازد که از محرک‌های مبتنی بر الکترولیز برای تنظیم مستقل الکترودها در یک آرایهٔ کاشته‌شدهٔ مزمن بهره می‌برد.

### فنون جراحی با هدایت تصویری
جراحی با هدایت تصویری برای جای‌گذاری دقیق ایمپلنت‌های مغزی استفاده می‌شود.

## جستارهای وابسته
* جراحی به کمک کامپیوتر
* رادیولوژی مداخله‌ای
* ام آر آی حین عمل
* مایکروسافت هولولنز
* جراحی رادیویی
* جراحی استریوتاکتیک

## پانویس

## منابع

رده:ایمپلنت‌ها
رده:پروتزهای عصبی