신경분진

Neural dust

신경 분진은 무선으로 구동되는 신경 센서로 작동하는 밀리미터 크기의 장치를 가리키는 말로 뇌-컴퓨터 인터페이스의 일종이다.이 센서는 신경과 근육을 연구, 감시 또는 제어하고 신경 활동을 원격으로 감시하는 데 사용될 수 있다.실제로, 의학 치료는 수천 개의 신경 먼지 장치를 인간의 뇌에 도입할 수 있다.이 용어는 "스마트 먼지"에서 유래되었는데, 신경 먼지로 사용되는 센서도 이 개념에 의해 정의될 수 있기 때문이다.[1]null

배경

신경 분진 설계는 캘리포니아 대학교 버클리 무선 연구 센터(University of California Wireless Research Center)의 2011년 논문에서 처음으로 제안되었는데, 이 논문은 오래 지속되는 무선 두뇌 컴퓨터 인터페이스(BCI)를 만들 때의 도전과 뛰어난 이점을 모두 기술하였다.[2]BCI의 역사는 1924년 한스 버거에 의한 전기화학의 발명으로 시작되지만, 1970년대까지 과학 문헌에는 이 용어가 등장하지 않았다.이 분야의 주요 연구는 국립과학재단의 연구 보조금에 따라 로스앤젤레스 캘리포니아 대학교(UCLA)에서 나왔다.[3]null

신경 먼지는 BCI의 범주에 속하지만, 신경 동토학 분야에서도 사용될 수 있다.용어는 때때로 서로 교환하여 사용할 수 있지만, 주된 차이점은 BCI가 일반적으로 신경 활동을 컴퓨터에 직접 접속하는 반면, 신경 동토층은 중앙 신경계의 활동을 실종되거나 손상된 신체 부위의 기능을 대체하기 위한 장치에 연결하는 경향이 있다는 것이다.null

함수

구성 요소들

신경 분진 시스템의 주요 구성 요소에는 10-100µm3 눈금을 목표로 하는 센서 노드(신경 분진)와 두라모터 아래에 앉아 신경 분진에 대한 전원 및 통신 링크를 모두 제공하는 아신경 분진기가 포함된다.신경 분진 모트는 녹음 전극 한 쌍, 맞춤형 트랜지스터, 압전 센서로 구성된다.[4]압전 크리스탈은 세포외 공간에서 뇌 활동을 기록하고 이를 전기 신호로 변환할 수 있다.null

데이터 및 전력 전송

여러 형태의 BCI가 존재하지만, 신경 분진은 크기와 무선 기능, 초음파 기술 사용으로 인해 그 자체로 분류된다.비교 가능한 많은 장치들이 무선 신경 센서와 상호작용하기 위해 전자파(무선 주파수 등)를 사용하는 반면,[5][6][7][8] 초음파 사용은 조직의 감쇠 감소뿐만 아니라 공간 분해능이 높다는 이점을 제공한다.이것은 더 높은 침투 깊이를 야기할 뿐만 아니라(따라서 하위 두개골 통신기와 더 쉽게 의사소통하게 된다), 산란이나 흡수로 인해 원치 않는 에너지가 신체의 조직으로 분배되는 것을 감소시킨다.[4]이 과잉 에너지는 열의 형태를 띠게 되어 주변 조직에 손상을 입힐 것이다.또한 초음파를 사용하면 센서 노드의 크기를 더 크게 조절할 수 있어 100µm 미만의 크기를 허용할 수 있어 삽입 가능한 전자 장치의 영역에서 큰 가능성을 제공한다.null

백스캐터 통신

신경 분진 모트의 크기가 극히 작기 때문에 센서 자체에서 기능 송신기를 만드는 것은 비현실적이고 거의 불가능할 것이다.따라서 무선 주파수 식별(RFID) 기술에서 채택된 백스캐터 통신이 사용된다.RFID 패시브에서 무배터리 태그는 RF 에너지를 전송하는 장치인 RF 질문기에 근접할 때 무선 주파수(RF) 에너지를 흡수하고 반사할 수 있다.RF 에너지를 다시 질문기로 반사하기 때문에 주파수를 조절할 수 있고, 그렇게 함으로써 정보를 인코딩할 수 있다.신경 분진은 이 방법을 사용하여 경막하 통신기로 하여금 초음파 펄스를 내보내 신경 분진 센서에 반사되도록 한다.압전 결정체는 세포외 공간에서 그것의 위치에서 뉴런 신호를 감지하고, 질문기로 반사되는 초음파 에너지는 기록된 활동을 전달하는 방식으로 조절될 것이다.[9]null

신경 분진 센서의 한 모델에서 트랜지스터 모델은 국소 전위와 작용 전위 "스파이크"를 분리하는 방법을 허용했고, 이는 기록에서 얻을 수 있는 매우 다양한 양의 데이터를 가능하게 한다.[2]null

임상 및 건강 애플리케이션

신경 보철물

신경인 인공이 식물과의 일부 예는 망막염 pigmentosa,[11]에서 망막 변성 치료에 그리고 움직임을 사지 마비 또는 disorde이 침범에 있는 능력을 제공할 수 있다. 심지어 전동기인 인공이 식물과 효과적인 것으로 나타났다 hearing,[10]인공 실리콘 레티나 마이크로칩을 부활시키는데 도움을 줄 수 있어 달팽이관 이식을 포함한다.개발처럼근위축성 [12]측경화증신경 분진을 모터 보형물과 함께 사용하면 움직임을 훨씬 미세하게 제어할 수 있을 것이다.null

전기 자극

신경과 뇌조직의 전기자극 방법은 이미 상당 기간 채택된 반면 신경분진의 크기와 무선 성질은 이 기법의 임상적 응용에 있어 진보를 가능하게 한다.중요한 것은 전통적인 신경 자극법이나 척수 자극과 같은 특정한 형태의 신경 자극은 전선에 연결된 상태로 남아 있는 이식된 전극을 사용하기 때문에 감염과 흉터 발생 위험이 높다.이러한 위험이 신경 분진 사용의 요소는 아니지만 센서 노드에 충분한 전류를 인가해야 하는 어려움은 여전히 존재한다.null

슬립 무호흡증

전기 자극 장치는 이미 OSA(폐쇄성 수면 무호흡증) 치료에 어느 정도 효능을 보였다.중증 OSA 환자에게 수술로 이식한 전기 자극 장치를 사용한 연구자들은 이 장치를 사용한 12개월 간의 치료 기간 동안 상당한 개선 효과를 발견했다.[13]인두신경의 자극도 중앙 수면무호흡증을 줄이는 데 효과가 있는 것으로 나타났다.[14]null

하반신 마비학의 방광제어

전기자극장치는 무선연계 임플란트를 이용해 척추의[15] 천골전근 부위를 자극해 척추손상 환자가 소변과 배변 능력을 향상시키는 데 효과적이었다.

뇌전증

간질 환자의 전기 자극 요법은 일찍이 1950년대로 거슬러 올라가면서 한동안 잘 확립된 시술이었다.[16]미국 간질 협회의 가장 큰 목표는 발작이 곧 일어날 것임을 나타내는 뇌 패턴을 기반으로 발작적인 전기 자극을 제공하는 자동화된 뇌 전기 자극(일명 우발적 또는 폐쇄 루프 자극이라고도 한다)의 지속적인 발전이다.이것은 언제 발작이 일어날지 추정하는 것에 근거한 자극보다 그 장애를 훨씬 더 잘 치료한다.[17]질신경자극이 간질 발작 치료의 표적 부위인 경우가 많지만, 해마, 탈라무스, 아탈라믹핵에서는 자극의 효능에 대한 연구가 있었다.폐루프 피질신경절제술도 파킨슨병[18] 치료기법으로 연구됐다.

참조

  1. ^ Warneke, B.; Last, M.; Liebowitz, B.; Pister, K. S. J. (January 2001). "Smart Dust: communicating with a cubic-millimeter computer". Computer. 34 (1): 44–51. doi:10.1109/2.895117. ISSN 0018-9162.
  2. ^ a b Rabaey, J. M. (September 2011). "Brain-machine interfaces as the new frontier in extreme miniaturization". 2011 Proceedings of the European Solid-State Device Research Conference (ESSDERC): 19–24. doi:10.1109/essderc.2011.6044240. ISBN 978-1-4577-0707-0.
  3. ^ Vidal, J. J. (1973). "Toward Direct Brain-Computer Communication". Annual Review of Biophysics and Bioengineering. 2 (1): 157–180. doi:10.1146/annurev.bb.02.060173.001105. PMID 4583653.
  4. ^ a b Seo, Dongjin; Neely, Ryan M.; Shen, Konlin; Singhal, Utkarsh; Alon, Elad; Rabaey, Jan M.; Carmena, Jose M.; Maharbiz, Michel M. (2016). "Wireless Recording in the Peripheral Nervous System with Ultrasonic Neural Dust". Neuron. 91 (3): 529–539. doi:10.1016/j.neuron.2016.06.034. PMID 27497221.
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