CC BY
63
4
Украгнський нейрохгрурггчний журнал, №4, 2003
Оглядов1 статт
УДК 617.75-089.28/.29
3opoBi нейропротези: icTopifl, сучасний стан, перспективи розвитку
Цимбалюк B.I., Парпалей Я.1.
1нститут нейрох!рургп м. акад. А.П.Ромоданова АМН Украши, м.Ки!в, Украша Нацюнальний медичний унгверситет м. О.О.Богомольця, м.Ки!в, Украша
Значна поширешсть слшоти та ¿стотне зниження якост життя слших людей зумовлюють актуальность доотдження метод1в вщновлення зору. Концепця використання збережених структур зорового анал1затора при необороттй слшота для нейростимуляцп та побудови зорового нейропротеза не е новою. Незважаючи на зусилля нейроф!зюлопв, лжар1в та шженер!в, створення дючих зорових нейропротез1в залишаеться перспективою. Представлен! ютор1я створення сптавкових та гаркових нейропротез1в, сучасн розробки в цш галуз!, складнощ! та проблеми, а також перспективи ¿х виршення у майбутньому.
Ключей слова: 3ip, сл1пота, штучний 3ip, протез, 3opoei нейропротези, штучна cimKieKa, електрична коркова стимулящя.
У 1986 р. ВООЗ проведене епщемюлопчне дослщження поширеност слшоти в бшьшост краш свпу. За отриманими даними з кра!н 3 категорий (залежно в!д р!вня розвитку охорони здоров'я й офтальмолопчно! допомоги) у свт зареестровано 28 млн. слших, якщо слепотою вва-жали зниження зору менше 1/20 норми i 42 млн. — якщо зниження зору менше 1/10 норми. З уае! кшькоеп виявлених хворих у еврот мешкають 1,35 млн. слших (при населенш 490 млн.), на те-риторп колишнього СРСР — 895000 (при населенш 276 млн.). Отже, частота ще! патолог!! ста-новить у кра'шах европи близько 27,5-32,4 [1] на 10000 населення.
З огляду на значну поширешсть патолог!!, попршення якост життя людей при втрат функцп зору, вивчення й розробка нових сучас-них метод!в, спрямованих на полшшення зору, е актуальною штернацюнальною науковою проблемою. Актуальн!сть проблеми зумовлена ще й т!ею обставиною, що 'i'i практичне виршення неможливе без участ! сум!жних фах!вц!в: оф-тальмолопв, нейрох!рурпв, невролопв, шших л!кар!в (терапевт!в, токсиколог!в та !н.) залежно в!д ет!олог!чних фактор!в, що спричинили сл!поту
[11,17].
Найбшьш складною проблемою е так звана необоротна сл!пота, спричинена загибеллю кл!тин одше! з ланок зорового анал!затора. При цьому, якщо слшота е набутою, ! пащент рашше був зрячим, непошкоджеш ланки зорового анал!за-тора збер!гають структурну та функц!ональну цшсшсть протягом тривалого часу [2,7-9,17,19]. Саме використання цих збережених структур з
метою в!дновлення зору (або його зам!щення) спо-нукало вчених до проведення досл!джень та роз-робки зорових протез!в [7,17,19].
Як основш та найбшьш зручш мтсця для елек-тростимуляцп розглядалися сптавка (при пошкод-женш рецепторного апарату), зорова про-мешепсть, зорова кора [7,17,19]. У цих позищях нейрони м!стяться ретинотоп!чно, в них зручно розташовувати електроди. Зоровий нерв не роз-глядався як можливе м!сце для встановлення ней-ропротеза, оскшьки при пошкодженш атк!вки вш, як правило, дегенеруе, а при ii збереженш — значно поступаеться сптавщ у зручноел вста-новлення електрод!в [10,13,17,18].
Протези сгттвки
Вживлення стимулюючого пристрою етре-тинально впроваджене G.J. Suaning, University of New South Wales (рис.1 кольорово! вкладки).
При цьому досить проблематичним е щдтри-мання ус!х електрод!в в контакт! з с!тк!вкою про-тягом тривалого часу [11]. Встановлення протезу сптавки субретинально (м!ж шгментним еттел!ем та ситавкою) запропоноване вперше A.Chow, Ун!верситет штату Ьллшойс, США (рис.2 кольо-рово! вкладки).
При цьому кремшевий чип (д!аметром 3 мм) е одночасно ! фоточутливим елементом, ! сти-мулюючою матрицею. Сьогодш вдаеться досягти роздшьно! здатноел 40x40 точок зображення при куп зору 12°, що забезпечуе можлив!сть задов-!льного розп!знавання предмет!в та читання. Ви-явлений значний вплив форми, розм!ру стиму-люючих поверхонь, а також характеристики
Зоровг нейропротези: гсторгя, сучасний стан, перспективу, розвитку
5
криво! струму. Найкрашд результата отримаш при стимуляцп током 10-20 мкА з напругою 1— 1,2 В, тривал1стю ¡мпульсу 400—500 мкс з на-прямком струму трансретинально. Таш показни-ки забезпечують можливють широкого викори-стання нейропротезгв сетшвки [11].
Обмеженють використання зорових нейро-протезгв сетшвки зумовлена невеликою кшьшстю оаб, у яких при втрат зору збережений гангль озний шар сеткгвки (наприклад, при пигментному ретинт).
Шрков1 зоров1 протези
Перш1 1де1 шодо зорових протезш виникли ше у 1751р., коли, вивчивши спостереження вщновлення зорових вщчуттш у слепого теля влучення блискавки, Франклш запропонував електричну стимуляцию кори для вщновлення зору [18].
Нормальний розвиток зорово! системи вщ народження до шнця критичного перюду необхь дний для одержання зорового досвщу. За тзньо! слшоти зорова система, як правило, розвита, чого немае при раннм слтота, коли вщзначають патолопчну оргашзацда зорового анал1затора [7,17].
Дослщженнями багатьох фююлопв (Krause, Foerster) на початку XX ст. встановлена мож-
лив1сть отримання точкових вщчутив светла пщ час стимуляцп зорово! кори (фосфенш) [5]. Бшьш детальш дослщження розпочались у 60-т роки, коли р1зш незалежш групи науковцгв (Button, Putnam, Brindley, Kobelle) проводили експери-менти з стимулящею зорово! кори у слтих та зрячих добровольцев, а також лабораторних тва-рин з метою встановлення четких параметргв, необхщних для створення функционального зоро-вого протеза [2—4].
Результати дослщжень, незважаючи на р1зно-манетшсть, свщчили про можлив1сть отримання др1бних, р1зноманетних за формою, р1знозабарв-лених, розаяних по зоровому полю вщчуттгв светла тд час поверхнево! стимуляцп зорово! кори багатоканальними електродами [4]. При цьо-му розмщення електрода впливало на розта-шування фосфена в зоровому пол1, а сила шпуль-са (3—16 мА) — на його яскравкггь. Фосфени ру-халися в тру руху очних яблук та були вщнос-но стабшьними.
Були наветь розроблеш та апробоваш схеми зорових нейропротез1в (рис.3) (Brindley, Kobelle).
Загальною у схемах була структура: видеокамера (светочутлива матриця) — перетворю-вач сигналгв — модулятор шркових стимулгв — проведення через череп (шдуктивне або пряме) — шрков1 електроди [6,7]. Стимуляцию власне
6
Цuмбaлюк B.I., napnaj.eü ß.I.
кopи пpoпoнyвaли здiйcнювaти пoвepxнeвими eлeктpoдaми. Iндyктивнe пepeдaвaння cигнaлiв чepeз cкaльп бyлo зaпpoпoнoвaнe щe y 1968 p. G.Brindley [3]. Boнo знaчнo змeншyвaлo p^rn виникнeння зaпaльниx ycклaднeнь, пpoтe, rn-тpeбyвaлo пepeдaвaльнoгo (нa шкipi гoлoви) тa пpиймaльнoгo (cyбaпoнeвpoтичнo) шoлoмy. WKobelle зaпpoпoнyвaв чepeзшкipнe з'eднaння тa дoвiв мoжливicть йoгo викopиcтaння пpoтя-шм кiлькox мicяцiв бeз зaпaльниx ycклaднeнь (pиc.4 кoльopoвoï вклaдки).
У 90-x porax y C0A пpoвeдeнi дocлiджeння пiд кepiвництвoм E. M. Шмидт (NIH) тa R.A. Normann (Унивepcитeт штaтa Ютa), якi cтaвили зя мeтy cтвopeння зopoвoгo кipкoвoгo пpoтeзa, пpинцип дл якoгo 6ув ocнoвaний ня внyтpiшньoк-ipкoвiй cтимyляцiï (p^.5 кoльopoвoï вклaдки) [7].
Пepeвaгaми внyтpiшньoкipкoвиx eлeктpoдiв були зacтocyвaння знaчнo мeншиx пopiвнянo з пoвepxнeвими вeличин CTpyiwy (20-200 мкA), мeншi poзмipи фocфeнiв, мeншa нeбeзпeкa псн яви пapцiaльниx eпiлeптичниx нaпaдiв [13,14]. Знячним дocягнeнням тaкoж cтaлo нaближeння дo poзшифpyвaння кoдyвaння кoльopiв y "pera-няльтому кoмп'ютepi": зaлeжнicть вiд фopми мпульав, ïx гpyпyвaння тя чacтoти [11,17].
Äo^^ cклaднoю виявиляоя пpoблeмa oco6-ливoï peтинoтoпiки зopoвoï кopи [9,10,20]. Пpo-eкцiя зopoвиx пoлiв е, нaчeбтo, пepeтвopeнням пoляpниx кoopдинaт ня плaнapнi, зя якoгo нeoд-мшто виникяють викpивлeння. Фopмyвaння з фocфeнiв oбpaзy пoтpeбyвaлo пoпepeдньoгo '^ap-тувяння" фocфeнiв з пepeвизнaчeнням ïx тазицм. Цьoгo ocoбливo cклaднo дocягти y cлiпиx пaцieнтiв, ocкiльки в ниx нeмae виxiднoгo opie^ тиpy [20].
ÄoGniopmM з yнiвepcитeтy штату Ютя (C0A) пpaцювaли няд poзpoбкoю yнiвepcaльнoгo eлeк-тpoдa для cтимyляцiï/peecтpaцiï пoтeнцiaлiв o^ peмиx клiтин кopи. Тякий eлeктpoд був poзpoб-лeний (p^.6 кoльopoвoï вклядки) [12,15,16]. Moœ-ливicть йoгo бeзпeчнoгo тpивaлoгo зacтocyвaння oCTai^^ нe пiдтвepджeнa, пpoтe, дoвeдeнo, шр йoгo ввeдeння нe mpMH^^e знaчнoгo пoшкoджeння oкpeмиx клiтин кopи.
Пщ чac стимуляцп чepeз цeй eлeктpoд (пля-cтинкa poзмipaми 4x4 мм, якя мicтить 10x10 eлeктpoдiв дoвжинoю 1,5 мм тя дiaмeтpoм 15 мкм ) етимули вiд cyciopix eлeктpoдiв, poзтaшo-вaниx ня в^стят 400 мкм, мoжyть cпpиймaтиея як oкpeмi фocфeни, щo зaбeзпeчye cтвopeння зoб-paжeння виcoкoï якocтi. Пpи викopиcтaннi псн вepxнeвиx eлeктpoдiв мiжeлeктpoднi взaeмoдiï
зapeecтpoвaнi Kœe ня в^стят 2 мм, щo знaчнo oбмeжye ïx викopиcтaння [7,17].
Пepcneкmuвu
Aнaлiзyючи cпeктp мeтoдiв тя cyчacниx !ex-нoлoгiй пpoтeзyвaння зopy, cлiд cфopмyлювaти pяд вимoг, якi пoвиннi викoнyвaтиcя для cтвo-peння фyнкцioнaльнoгo кipкoвoгo зopoвoгo нeй-poпpoтeзa.
1. Бeзпeчнa тя cтaбiльнa cтимyляцiя з виго-pиcтaнням пpoникaючиx кipкoвиx мiкpoeлeкт-poдiв з бioлoгiчнo iнepтниx cплaвiв (плятиня-ipидiй) [17].
2. Пapaмeтpи стимуляцп: cтpyм 20-30 мкA, двoфaзний, тpивaлicть 100-200 мкc, чacтoтa пя-чoк iмпyльciв 25-30/c. Bиключeння бoлicниx чи пoмилкoвиx cтимyлiв [7].
3. Шлькють eлeктpoдiв 400-600 i бiльшe, мoжливicть ïx кapтyвaння з пepeвизнaчeнням [20].
4. ^вня iнкaпcyльoвaнicть пpилaдy (виклю-чeння чepeзшкipниx з'еднянь), бioлoгiчнo rnepraa cтiйкa iзoляцiя, пepeдaвaння cигнaлy тя жив-лeння зя дoпoмoгoю paдioчacтoти чи iндyктивнo-гo зв'язку [8, 16].
З oглядy ня cкaзaнe тя cyчacнi мoжливocтi eлeктpoнниx пpиcтpoïв, фyнкцioнaльний зopo-вий нeйpoпpoтeз мoжe бути cтвopeний нeзaбa-poм [17]. Няйбшьш пpoблeмaтичним ня цьoмy e!am е cтвopeння тя пiдтpимaння cтiйкoгo кoн-тякту мiкpoeлeктpoдiв з таянитою бeз зяпяль-ниx чи дeгeнepaтивниx змiн в ткaнинi [7,12,15].
Bucнoвкu
1. ^mo!a е вaжливoю iнтepнaцioнaльнoю пpoблeмoю, вoнa знaчнo пoгipшye яшсть життя людeй з пoвнoю aбo чacткoвoю втpaтoю зopy. Toмy ^шун нoвиx мeтoдiв вiднoвлeння зopoвoï функцп е aктyaльним i нeoбxiдним.
2. Зopoвi нeйpoпpoтeзи ciткiвки, нeзвaжaю-чи ня oбмeжeнi мoжливocтi ïx зacтocyвaння тiльки зя yмoви збepeжeння Tam^^mre rnapy ciткiвки, зaбeзпeчyють зaдoвiльнi пapaмeтpи зo-poвoгo вiдчyття. Texнoлoгiя пpoтeзiв ciткiвни пo-тpeбye клiнiчнoï aпpoбaцiï з визнaчeнням пoнa-зянь, пpoтипoкaзaнь тя пepcпeктив пoлiпшeння влacтивocтeй.
3. Kipкoвi зopoвi нeйpoпpoтeзи е a^yan^ нoю тя нeoбxiднoю тexнoлoгieю вiднoвлeння зopy y пaцieнтiв з обутою елiпoтoю. Для етвopeння фyннцioнaльниx кipкoвиx зopoвиx нeйpoпpoтeзiв пoтpiбнe вдocкoнaлeння мiкpoeлeктpoдiв для тpи-вaлoï cтимyляцiï зopoвoï кopи, a тaнoж пoдaль-rne пoглиблeнe вивчeння пcиxoфiзioлoгiï фocфeнiв.
Зоровг нейропротези: гсторгя, сучасний стан, перспективи розвитку
7
CnMcoK .niTepaTypM
1. T^o6a^bHaH pacnpocTpaHeHHocTb caenoTH // Broa.
B03.—1988.— T. 66, №3.— C. 68-69.
2. Bak M., Girvin J.P., Hambrecht E.M. et al. Visual
sensations produced by intracortical microstimulation of the human occipital cortex // Med. Biol. Engl. Comput.—1990.— N 28. P.257-259.
3. Brindley G.S., Lewin W.S. The sensations produced
by electrical stimulation of the visual cortex. //J. Physiol. — 1968.— N 196.—P.479-493.
4. Kobelle W.H., Mladejovsky W.G. Phosphenes produced by electrical stimulation of human occi pital cortex, and their application to the development of a prosthesis for the blind //J. Physiol. — 1974.— N 243.—P.553-576.
5. Foerster k. Beitrage zur Pathophysiologie der Sehbahn und der Sehsphare //J. Psychol. Neurol. Lpz.— 1929.— N 39.—P.463-485.
6. Girvin J.P. Cerebral (cortical) biostimulation //Pacing
Clin. Electrophysiol.— 1986.— N 9.—P.64-71.
7. Hambrecht F.T. Visual prostheses based on direct
interfaces with the visual system // Baill. Clin. Neurol. — 1995.— N 4.—P.147-165.
8. Karny H. Clinical and physiological aspects of the
cortical visual prosthesis //Surv. ophthalmol.— 1975.— N 20.—P.47-58.
9. Krieg W. Functional Neuroanatomy.— 2 ed.— N.Y.:
Blakiston, 1953.—300 p.
10. Marg E., Rudiak K. Phosphenes induced by magnetic Stimulation over the occipital brain: descri ption and probable site of Stimulation // optom. Vis. Sci.—1994.—V.71, N5.—P. 301-311.
11. Margalit E., Maia M., Weiland J.K. Retinal prosthesis for the blind // Surv. ophthalmol.—2002.— V.47, N 4. —P.35-56.
12. Maynard E.M., Nordhausen C.T., Normann R.A. The Utah Intracortical Electrode Array: a recording structure for potential brain-computer interfaces // Electroencephalogr. Clin. Neurophysiol.—1997.— N102.—P. 228-239.
13. Normann R.A., Maynard E.M., Rousche P.J. et al A neural interface for a cortical vision prosthesis //Vision Res.— 1999. — V.39, N 15. — P. 2577-2587.
14. Ray P.G., Meador K.J., Smith J.R. et al. Physiology of perception: cortical stimulation and recording in humans // Neurology.—1999. —V.52, N 5. —P. 1044-1049.
15. Rousche P.J., Normann R.A. Chronic intracortical microstimulation (ICMS) of cat sensory cortex using
the Utah Intracortical Electrode Array // IEEE Trans. Rehab. Engl.—1999.— N 7.—P.56—68.
16. Schmidt E.M., Bak M., Hambrecht F.T., Kufta C.V. Feasibility of a visual prosthesis for the blind based on intracortical microstimulation of the visual cortex// Brain.—1996.— N 119.—P. 507—522.
17. Suaning G.J., Lovell N.H., Schindhelm K The bionic eye (electronic visualprosthesis): a review //Aust . N.Z. J. Kphthalmol—1998.— V.26, N 3. — P. 195—202.
18. Uhlig C.E., Taneri S., Benner F.P. Electrical stimulation of the visual system. From empirical approach to visual prostheses // Kphthalmologe.— 2001.— V.98, N 11.—P. 1089—1096.
19. Veraart C.L. Perspectives in the rehabilitation of vision in blind subjects // Bull. Mem. Acad. Roy. Med. Belg.— 1996. — V.151, N 2.— P. 175—185.
20. Vogelstein J.V., Kagnelie G. Phosphene Mapping Strategies for a Cortical Visual 29th Neural Prosthesis Workshop, NINKS at NIH.— Bethesda, 1997.— 15 p.
Зрительные нейропротезы : история, современное состояние, перспективы развития Цымбалюк В.И., Парпалей Я.И.
Значительная распространённость слепоты и сушествен-ное снижение качества жизни слепых людей обусловливают актуальность исследований методов восстановления зрения. Концепция использования сохраненных структур зрительного анализатора при необратимой слепоте для ней-ростимуляции и построения зрительного нейропротеза не нова. Несмотря на усилия нейрофизиологов, врачей и инженеров, создание действуюших зрительных нейропроте-зов остаётся лишь перспективой. Представлены история создания сетчаточных и корковых нейропротезов, современные разработки в этой области, сложности и проблемы, а также перспективы их решения в будушем.
Visual neuroprostheses: history, contemporary state, development perspectives Tsymbalyuk V., Parpaley Y.
Significant prevalence of blindness and reduction in quality of blind people's life is conditioned urgency of researches in sight restorations techniques. The concept of using of safe structures in vision system at irreversible blindness for electrical stimulation and producing of visual prosthesis is not new one. Kespite of the efforts of neurophysiologians, doctors and engineers creation of useful visual prosthesis remains till now only prospect. The history of creation, modern development of retinal and cortical vision prostheses, problems and also prospects of their decision in the future are submitted.
До статтi Цимбалюка В.1., Парпалея Я.1.
"Зоровi нейропротези: iсторiя, сучасний стан, перспективи розвитку"
Рис.1. Етретинальний зоровий нейропротез (а) 1 мшрофото контактних поверхонь (б, в)
Рис. 2. Схема розташування субретинального зорового протеза (а), мшрофото пристрою (б), очне дно з 1мплантатом (в)
Рис.5. Проникаючий мшроелектрод в корм
