1

NEURALNO INŽENJERSTVO

Dejan Popović, dbp@etf.rs

Lajdenska boca: skladište velike količine elektriciteta

Leyden University, Holandija(1742 )

Benjamin FranklinAmerički političar i pronalazač. I on je otkrio Lajdensku bocu

(1770)

2

Peter Christian AbildgaardLekar i naučnik, osnivač Kraljevske veterinarske škole (1773) je počeo da primenjuje Leidensku bocu za aktivaciju senzorno-motornih mehanizama

104 godine pre nego što je Thomas Edison otkrio električnu svetiljku!

Luigi Galvaniitalijanski lekar koji je otkrio “životinjski elektricitet”

(1780)

3

Guillaume Benjamin Amand Duchenne de Boulogne

francuski neurolog koji je razvio između ostalog i električni osmeh

(1872)

Duchenne de Boulogne, kraj XIX veka

4

Edwin R. Davis, (1890):

ELEKTRIČNA STOLICA

John A. Hopps, (1950):

PACEMAKER

Ćelija

5

Ćelijska membrana

"Biološki sloj" koji odvaja ćeliju od ekstracelularne tečnosti nazivamo ćelijska membrana ili ćelijska opna.

unutrašnjost

spoljašnjost

Osnovnesupstance koječine ćelijskumembranu su:

•masti (lipidi) i

•belančevine(proteini).

Šematski prikazstrukture biološkemembrane.

Ćelijska membrana

6

Ravnotežni potencijal ćelijePrimer neurona:Um=- 70mVEK=-81 mVUm-EK=11mV

ENa=85 mV

Um-ENa=-155mV

Akcioni potencijal

Akcioni potencijal (AP) ima 3 faze: (B) depolarizacija, (C) repolarizacija, (D) hiperpolarizacija.

(A) Ravnotežni potencijal

stimulus

7

Akcioni potencijal

Primena “negativnih” impulsa dovodi do hiperpolarizacije(-1,-2,3...).

Akcioni potencijal (AP) pri promeni amplitude aktivacionog napona (struje).

Primena “malih pozitivnih”impulsa ne dovodi do akcionog potencijala (+1,+2, +3, +4)

Primena “dovoljno velikog”napona dovodi do depolarizacije, tj. akcionog potencijala (+5...).

Kronaksija (I-T kriva) definiše potrebnu količinu elektriciteta za generisanje akcionog potencijala

T [µs]0

I [mA]

20

50

10

30

40

60

70

0 10 20 30 40 50 TC

IB

IB - struja reobaze, TC - kronaksija

BBC I

TITI +≈

2

8

Osnove morfologije/fiziologije nervnog sistema

Morfologija nervne ćelije

9

Ljudski organizam objedinjuje oko 1012 ćelija, a one se mogu podeliti na do 10000 tipova.

Ćelije se mogu podeliti po sledećim karakteristikama:

1) mehanizmu kojim stvaraju relativno stereotipne signale;

2) načinu na koji su povezane;

3) oblicima veza koje rezultuju različitim ponašanjima; i

4) načinom na koji se menja njihovo ponašanje.

Kahalov (Raymond Y Cajal) princip specifičnosti povezivanja ćelija:

1) ne postoji kontinualnost citoplazme između nervnih ćelija,

2) nervne ćelije ne grade "slučajnu" neuralnu mrežu; i

3) svaka ćelija ima specifične i precizne veze, čineći kontakte samo sa nekim nervnim ćelijama, ali ne sa ostalima.

10

Dužina presinaptičkog dela ćelije je velika, i može da bude više od 1metar.

Poprečni presek aksona je u opsegu od 2 µm do 20 µm, a prečnik some oko 50 µm.

Jedan neuron može da ostvari sinaptičke veze i sa 1000 drugih neurona.

NEURON

SINAPSA

11

Osnovne karakteristike1. Soma neurona sadrži jedro. 2. Some nervnih ćelija su “blizu” centralnog nervnog

sistema i zaštićene su koštanim sistemom.3. Aksoni prenose impulse od some, a dendriti

prenose signale ka somi.4. Sinapse su mesta prenosa signala (jednosmerno)

sa ćelije ne ćeliju.5. Neurotransmiter prenosi signal preko sinapse, a

posle prenosa nestaje (posle delovanja hemijskih inaktivatora).

Akcioni potencijal – prenos duž aksona

12

Akcioni potencijal

xU

r1-=ii

i ∂∂

xU

r1=

xi-=i 2

2

i

im ∂

∂∂∂

)U-(Ug+)U-(Ug+

)U-(Ug+t

UC=xU

2R

eeNaNa

KK2

2

∂∂

∂∂ρ

Akcioni potencijal

tU

v1=

xU

2

2

22

2

∂∂

∂∂

13

Uloga centralnog nervnog sistema (CNS) je da skenira, evaluira (upoređuje sa memorisanim informacijama), i procesira informacije primljene od perifernih senzornih nerava i da generiše eferentne impulse, pa se može reći da on ima integracionu i koordinišuću funkciju.

Centralni nervni sistem čine mozak i kičmena moždina.

FUNKCIONALNA ULOGA

Mozak i kičmena moždina su zaštićeni meningama (višeslojnom opnom), a zatim koštanim sistemom (lobanja / kičmeni pršljenovi).

Površinski sloj telencephalona - cortex se deli na režnjeve: frontalni, parietalni, okcipitalni i temporalni.

Dve hemisfere su povezane za corpus callosum.

FUNKCIONALNA ULOGA

14

Ljudski CNS prima veliki broj informacija (109 bit/s), a samo mali deo se svesno registruje (10 do 100 bit/s).

Ostale informacije se procesiraju podsvesno, ili se ne procesiraju uopšte. Ljudski organizam je u stanju da proizvodi oko 10 bit/s informacija.

Radi poređenja pomenućemo da jedna televizijska slika ima oko 10 bit/s, ili čitanje jedne stranice teksta za 20 sekundi odgovara “prijemu” od oko 50 bit/s.

FUNKCIONALNA ULOGA

ORGANIZACIJA NERVNOG SISTEMA: CENTRALNI (CNS) I PERIFERNI NERVNI SISTEM (PNS)

15

FUNKCIONALNE CELINE CNS-a

MORFOLOGIJA

16

SPECIFICIRANOST STRUKTURA U MOZGU

MORFOLOGIJA: KIČMENA MOŽDINA + PNS

17

Kičmena moždina je organ na kome se ostvaruje veza perifernih nerava sa CNS-om. Moždina služi i kao prenosilac i integratorinformacija

Periferni nervni sistem se ponekada naziva i spinalni nervni sistem. Spinalni nervni sistem je funkcionalno organizovan u oblik koji je odgovaran za reflekse.

18

Kortikalni refleks

Postoji shvatanje da kičmena moždina u sebi sadrži i mehanizam koji se naziva centralni generator ritma (central pattern generator - CPG), čijom modulacijom se dobijaju funkcionalni pokreti koji rezultuju važnim funkcijama kao što je naprimer lokomocija.

19

Osnove morfologije/fiziologije mišićnog sistema

20

NERVNO-MIŠIĆNA SINAPSA

Motorna jedinica

21

22

ŠEMATSKI PRIKAZ MEHANIZMA KONTRAKCIJE

Prenos akcionog potencijala sa motornog nerva na motornu jedinicu mišića izaziva kontakt između jednog broja miozinskih glavica i aktinskih vlakana, koje prati obrtanje miozinskihglavica. To rezultuje skraćenjem sarkomera, tj. mišića.

Šematski prikaz mišićne kontrakcije

23

KONTRAKCIONA SILA SARKOMERA

AKCIONI POTENCIJALI I MIŠIĆNI ODGOVOR ZA SRČANI MIŠIČ

24

AKCIONI POTENCIJALI I MIŠIĆNI ODGOVORI ZA GLATKE MIŠIĆE

AKCIONI POTENCIJALI I MIŠIĆNI ODGOVORI ZA POPREČNO-PRUGASTE MIŠIĆE

25

Mišićno pobuđivanje

Različite mišićne jedinice u istom mišiću imaju različite pragove pobuđivanja, i razvijaju različite sile.

SILA U FUNKCIJI RELATIVNE DUŽINE MIŠIĆA (desno), I UČESTANOSTI POBUĐIVANJA (levo)

26

Mišićna sila u funkciji dužine i brzine skraćivanja

OSNOVNI PRINCIP RADA NEURALNIH PROTEZA:

GENERISANJE AKCIONIH POTENCIJALA PRIMENOM ELEKTRIČNE STIMULACIJE(površinske elektrode, implantibilne elektrode)

GENERISANJE AKCIONIH POTENCIJALA PRIMENOM PROMENLJIVOG MAGNETSKOG POLJA

GENERISANJE AKCIONIH POTENCIJALA PRIMENOM DRUGIH ENERGETSKIH IZVORA (akupunktura, akupresura, ultrazvuk, itd.)

27

f = 1/IPI (impulsa u sekundi) – učestanost stimulacije

T (10 µs – 10 ms), f = 1 – 100 imp/s, I = 10 µA – 150 mA (1 mV – 300 V)

a) Monofazna stimulacija

b) monofazna kompenzovana stimulacija

c) Monofazna stimulacija

d) Bifazna stimulacija

28

i(t)u(t)

i(t) u(t)

t [µs] t [µs]

t [µs] t [µs]

BA

Oblik napona (A) i struje (B) (donji paneli) pri pobudi strujnim (A), odnosno naponskim (B) (gornji paneli) izvorom

Princip primene električne stimulacije za pobudu senzorno-motornih sistema.

“Aktivna” elektroda je katoda.

Elektroda je pretvarač struje jona (u spoljnom sistemu) i struje jona u organizmu.

29

Lokalizacija (selektivnost) električne stimulacije

Kriva pobuđivanja (recruitment curve)

30

MIŠIĆNMA SILA ZAVIZI OD UČESTANOSTI POBUĐIVANJA

ODGOVOR NA POJEDINAČAN IMPULS: TRZAJ (TWITCH)

ODGOVOR KOD KOG SE NE VIVI PULSIRANJE: FUZIONA KONTRAKCIJA

MAKSIMALNI ODGOVOR: TETANIZACIJA

Učestanost aktivacija mišićnih ćelija (biološka) je mala.

Mišić se zamara ako su mišićne ćelije aktivirane sa većim učestanostima.

31

Mišićna sila prati sa kašnjenjem akcioni potencijal. Inženjerskom terminologijiom mišićna sila je izlaz iz filtra propusnika niskih učestanosti na impulsnu pobudu.

Kašnenje je trajanja 30 do 50 ms, a trajanje sile na pojedini impuls reda 50 do 100 ms (zavisi od mišićnih vlakana)

Sonda u obliku broja “8”Dva TMS uređaja i sonda u obliku torusa

Magnetska aktivacija nervnih ćelija

NAVIGAIONI SISTEM

32

• oblik namotaja(stimulacione sonde)

• položaj i orijentacijanamotaja u odnosu nakortikalnu strukturu

• električna provodnoststimulisanih struktura

Oblik indukovanog električnog polja

Pri primeni TMSa se danas sve češće primenjuje navigacioni uređaj: Navigacioni sistem koristeći snimke (MRI) i sistem senzora omogućava ponovljivo pozicioniranje sonde u odnosu na kortikalne strukture.