तंत्रिका अभियांत्रिकी

तंत्रिका अभियांत्रिकी (न्यूरोअभियांत्रिकी के रूप में भी जाना जाता है) जैवचिकित्सा अभियांत्रिकी के भीतर एक अनुशासन होता है जो तंत्रिका तंत्र को समझने, पुनर्निर्माण करने, परिवर्तन करने या बढ़ाने के लिए अभियांत्रिकी तकनीकों का उपयोग करता है। तंत्रिका अभियंता जीवित तंत्रिका ऊतक और निर्जीव संरचनाओं के अंतराफलक पर रूपरेखा संबंधी समस्याओं को हल करने के लिए विशिष्ट रूप से योग्य होता हैं (हेटलिंग, 2008)।

अवलोकन

तंत्रिका अभियांत्रिकी का क्षेत्र अभिकलनात्मक तंत्रिका विज्ञान, प्रायोगिक तंत्रिका विज्ञान, तंत्रिका विज्ञान, विद्युत अभियन्त्रण और जीवित तंत्रिका ऊतक के संकेत आगे बढ़ाना के क्षेत्र पर आधारित होता है, और इसमें रोबोटिक्स, साइबरनेटिक्स, कंप्यूटर अभियांत्रिकी, तंत्रिका ऊतक अभियांत्रिकी, सामग्री विज्ञान और नैनो टेक्नोलॉजी के तत्व सम्मिलित होते हैं।

क्षेत्र में प्रमुख लक्ष्यों में तंत्रिका तंत्र और सूचना उपकरण के मध्य सीधे संपर्क के माध्यम से मानव कार्य की पुनर्स्थापनाी और मानव वृद्धि सम्मिलित होती है।

अधिकांश वर्तमान शोध संवेदी प्रणाली और मोटर प्रांतस्था प्रणाली में जानकारी की कूटलेखन और प्रसंस्करण को समझने पर केंद्रित होती है, यह निर्धारित करना कि यह प्रसंस्करण रोग स्थिति में कैसे परिवर्तित किया जाता है, और इसे मस्तिष्क-कंप्यूटर अंतराफलक और तंत्रिकाप्रोस्थेटिक्स सहित कृत्रिम उपकरणों के साथ अन्तःक्रिया के माध्यम से कैसे कार्यसाधन किया जा सकता है।

अन्य शोध प्रयोग द्वारा जाँच पर अधिक ध्यान केंद्रित करते हैं, जिसमें बाहरी तकनीक से जुड़े तंत्रिका प्रत्यारोपण का उपयोग भी सम्मिलित होता है।

न्यूरो जल-गत्यात्मकता तंत्रिका अभियांत्रिकी का एक प्रभाग होता है जो तंत्रिका तंत्र के हाइड्रोडायनामिक्स पर केंद्रित होता है।

इतिहास

चूंकि तंत्रिका अभियांत्रिकी अपेक्षाकृत एक नया क्षेत्र है, इसलिए इससे संबंधित जानकारी और अनुसंधान तुलनात्मक रूप से सीमित है, यद्यपि यह शीघ्रता से परिवर्तित हो रहा है। तंत्रिका अभियांत्रिकी के लिए विशेष रूप से समर्पित पहली पत्रिकाएँ, द जर्नल ऑफ़ तंत्रिका अभियांत्रिकी और द जर्नल ऑफ़ न्यूरोअभियांत्रिकी और पुनर्वास दोनों 2004 में सामने आईं थी। आईईईई द्वारा 2003 से 29 अप्रैल से 2 मई 2009 तक अंताल्या में तंत्रिका अभियांत्रिकी पर अंतर्राष्ट्रीय सम्मेलन आयोजित किए गए थे। तंत्रिका अभियांत्रिकी पर तुर्की चौथा सम्मेलन, अप्रैल/मई 2011 में कैनकन, मेक्सिको में तंत्रिका अभियांत्रिकी पर 5वां अंतर्राष्ट्रीय आईईईई ईएमबीएस सम्मेलन और नवंबर 2013 में सैन डिएगो, कैलिफोर्निया में 6वां सम्मेलन हुआ था। 7वां सम्मेलन अप्रैल 2015 में मॉंटपेलीयर में आयोजित किया गया था। 8वां सम्मेलन मई 2017 में शंघाई में आयोजित किया गया था।

मौलिक बातें

न्यूरोअभियांत्रिकी के पीछे के मौलिक सिद्धांतों में ऐसे उपकरणों के विकास में सहायता के लिए मात्रात्मक प्रतिरूप के साथ तंत्रिकाकोशिका, तंत्रिका नेटवर्क और तंत्रिका तंत्र कार्यों का संबंध सम्मिलित होता है जो संकेतों की व्याख्या और नियंत्रण कर सकते हैं और उद्देश्यपूर्ण प्रतिक्रियाएं उत्पन्न कर सकते हैं।

तंत्रिका विज्ञान

शरीर विचारों, इंद्रियों, गतिविधियों और अस्तित्व को प्रभावित करने के लिए जिन संदेशों का उपयोग करता है, वे मस्तिष्क के ऊतकों और शरीर के बाकी हिस्सों में प्रसारित तंत्रिका आवेगों द्वारा निर्देशित होते हैं। तंत्रिकाकोशिका तंत्रिका तंत्र की मौलिक कार्यात्मक इकाई होती हैं और यह अत्यधिक विशिष्ट कोशिकाएं होती हैं जो इन संकेतों को भेजने में सक्षम होती हैं जो जीवित रहने और जीवन की गुणवत्ता के लिए आवश्यक उच्च और निम्न स्तर के कार्यों को संचालित करती हैं। तंत्रिकाकोशिका में विशेष विद्युत-रासायनिक गुण होते हैं जो उन्हें जानकारी को संसाधित करने और फिर उस जानकारी को अन्य कोशिकाओं तक प्रसारित करने की अनुमति देते हैं। तंत्रिका संबंधी गतिविधि तंत्रिका झिल्ली की क्षमता और उसके साथ-साथ होने वाले परिवर्तनों पर निर्भर होती है। एक स्थिर वोल्टेज, जिसे झिल्ली क्षमता के रूप में जाना जाता है, सामान्यतः न्यूरोनल झिल्ली में विशिष्ट आयनों की कुछ सांद्रता द्वारा बनाए रखा जाता है। इस वोल्टेज में व्यवधान या भिन्नताएं झिल्ली में असंतुलन या ध्रुवीकरण पैदा करती हैं। अपनी सीमा क्षमता से परे झिल्ली का विध्रुवण एक क्रिया क्षमता उत्पन्न करता है, जो संकेत संचरण का मुख्य स्रोत होता है, जिसे तंत्रिका तंत्र के तंत्रिकासंचरण के रूप में जाना जाता है। एक कार्य क्षमता के परिणामस्वरूप आयन प्रवाह का एक कैस्केड नीचे और एक अक्षीय झिल्ली के पार होता है, जिससे एक प्रभावी वोल्टेज स्पाइक रेलगाड़ी या विद्युत संकेत बनता है जो अन्य कोशिकाओं में आगे विद्युत परिवर्तन संचारित कर सकता है। संकेत विद्युत, रासायनिक, चुंबकीय, प्रकाशीय और उत्तेजनाओं के अन्य रूपों द्वारा उत्पन्न किए जा सकते हैं जो आवेशों के प्रवाह को प्रभावित करते हैं, और इस प्रकार तंत्रिका झिल्ली में वोल्टेज स्तर को प्रभावित करते हैं।

अभियांत्रिकी

अभियंता मात्रात्मक उपकरणों का उपयोग करते हैं जिनका उपयोग सम्मिश्र तंत्रिका प्रणालियों को समझने और उनके साथ अन्तःक्रिया करने के लिए किया जा सकता है। तंत्रिका ऊतक में बाह्यकोशिकीय क्षेत्र क्षमता और अन्तर्ग्रथनी संचरण के लिए उत्तरदायी रासायनिक, विद्युत, चुंबकीय और प्रकाशीय संकेतों का अध्ययन और उत्पादन करने की विधि शोधकर्ताओं को तंत्रिका तंत्र गतिविधि के मॉड्यूलेशन में सहायता करते हैं। तंत्रिका तंत्र गतिविधि के गुणों को समझने के लिए, अभियंता संकेत प्रसंस्करण तकनीकों और अभिकलनात्मक प्रतिरूपण (एलियास्मिथ और एंडरसन 2003) का उपयोग करते हैं। इन संकेतों को संसाधित करने के लिए, तंत्रिका अभियंताों को तंत्रिका झिल्ली में वोल्टेज को संबंधित कूट में अनुवाद करना होगा, एक प्रक्रिया जिसे तंत्रिका कूटलेखन के रूप में जाना जाता है। तंत्रिका कूटलेखन इस बात पर अध्ययन करती है कि कैसे मस्तिष्क गति और संवेदी घटनाओं को समझने के लिए केंद्रीय प्रतिरूप जनरेटर (सीपीजी), सदिश गति, अनुमस्तिष्क आंतरिक प्रतिरूप और सोमाटोटोपिक मानचित्रों के रूप में सरल आदेशों को कैसे सांकेतिक शब्दों में परिवर्तित करता है। तंत्रिका विज्ञान के क्षेत्र में इन संकेतों को कूटवचन करना वह प्रक्रिया है जिसके द्वारा तंत्रिकाकोशिका उन वोल्टेज को समझते हैं जो उन्हें प्रेषित किए गए होते हैं। परिवर्तनों में वे तंत्र सम्मिलित होते हैं जो एक निश्चित रूप के संकेतों की व्याख्या करते हैं और फिर दूसरे रूप में अनुवादित होते हैं। अभियंता इन परिवर्तनों को गणितीय रूप से प्रतिरूपण करना चाहते हैं (एलियास्मिथ और एंडरसन 2003)। इन वोल्टेज संकेतों को अभिलेख करने के लिए विभिन्न विधियों का उपयोग किया जा रहा है। ये अंतःकोशिकीय या बाह्यकोशिकीय हो सकते हैं। बाह्यकोशिकीय विधियों में एकल-इकाई अभिलेखन, बाह्यकोशिकीय क्षेत्र क्षमताएं और एम्परोमेट्री सम्मिलित हैं; हाल ही में मल्टीइलेक्ट्रोड सरणी सरणियों का उपयोग संकेतों को अभिलेख करने और उनकी नकल करने के लिए किया गया था।

कार्यक्षेत्र

तंत्रिका यांत्रिकी

तंत्रिका यांत्रिकी तंत्रिका जीव विज्ञान, जैव यांत्रिकी, संवेदना, धारणा और रोबोटिक्स (एडवर्ड्स 2010) का युग्मन होती है। शोधकर्ता तंत्रिका ऊतकों के यांत्रिक गुणों और ऊतकों की बल और गति को झेलने और उत्पन्न करने की क्षमता के साथ-साथ दर्दनाक लोडिंग (लाप्लाका और प्राडो 2010) के प्रति उनकी संवेदनशीलता पर उनके प्रभावों का अध्ययन करने के लिए उन्नत तकनीकों और प्रतिरूपों का उपयोग कर रहे हैं। अनुसंधान का यह क्षेत्र इन प्रणालियों के संचालन और संगठन से संबंधित कार्यों और नियामक नियमों को विकसित करने के लिए तंत्रिकापेशीय और कंकाल प्रणालियों के मध्य जानकारी के परिवर्तनों का अनुवाद करने पर केंद्रित होता है (निशिकावा एट अल। 2007)। तंत्रिका परिपथ के अभिकलनात्मक प्रतिरूप को आभासी भौतिक दुनिया में स्थित जानवरों के शरीर के प्रतिरूप से जोड़कर तंत्रिका यांत्रिकी का अनुकरण किया जा सकता है (एडवर्ड्स 2010)। गतिकी और गतिकी, गति प्रक्रियाओं के समय मोटर और संवेदी प्रतिक्रिया की प्रक्रिया और प्रतिरूप, और मोटर नियंत्रण के लिए उत्तरदायी मस्तिष्क के परिपथ और अन्तर्ग्रथनी संगठन सहित जैव यांत्रिकी के प्रायोगिक विश्लेषण पर वर्तमान में जानवरों की गति की सम्मिश्रता को समझने के लिए शोध किया जा रहा है। जॉर्जिया इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी में डॉ. मिशेल लाप्लाका की प्रयोगशाला कोशिका संवर्धन के यांत्रिक खिंचाव, तलीय कोशिका संवर्धन के कतरनी विरूपण और आव्युह युक्त 3डी कोशिका के कतरनी विरूपण के अध्ययन में सम्मिलित है। इन प्रक्रियाओं को समझने के पश्चात् विशेष रूप से परिभाषित मापदंडों के साथ बंद लूप स्थितियों के तहत इन प्रणालियों को चिह्नित करने में सक्षम कामकाजी प्रतिरूप का विकास किया जाता है। तंत्रिका यांत्रिकी के अध्ययन का उद्देश्य शारीरिक स्वास्थ्य समस्याओं के उपचार में सुधार करना है जिसमें कृत्रिम अंग रूपरेखा का अनुकूलन, चोट के पश्चात् की क्रिया, और मोबाइल रोबोट की रूपरेखा और नियंत्रण सम्मिलित है। 3डी हाइड्रोजेल में संरचनाओं का अध्ययन करके, शोधकर्ता तंत्रिका कोशिका यांत्रिक गुणों के नए प्रतिरूप की पहचान कर सकते हैं। उदाहरण के लिए, लाप्लाका एट अल। एक नया प्रतिरूप विकसित किया है जो प्रदर्शित करता है कि तनाव कोशिका संवर्धन में भूमिका निभा सकता है (लाप्लाका एट अल. 2005)।

न्यूरोमोड्यूलेशन

न्यूरोमोड्यूलेशन का उद्देश्य चिकित्सा उपकरण प्रौद्योगिकियों को नियोजित करके बीमारी या चोट का उपचार करना है जो मस्तिष्क के बिगड़े हुए क्षेत्रों में संतुलन को फिर से स्थापित करने के लिए फार्मास्युटिकल दलालों, विद्युत संकेतों या ऊर्जा उत्तेजना के अन्य रूपों के वितरण के साथ तंत्रिका तंत्र की गतिविधि को बढ़ाएगा या दबा देगा। इस क्षेत्र में शोधकर्ताओं को तंत्रिका संकेतों को समझने में हुई प्रगति को प्रौद्योगिकियों में प्रगति से जोड़ने की चुनौती का सामना करना पड़ता है, जो मस्तिष्क में बंद लूप योजनाओं में बढ़ी हुई संवेदनशीलता, जैव-अनुकूलता और व्यवहार्यता के साथ इन संकेतों को वितरित और विश्लेषण करते हैं, जिससे विभिन्न प्रकार की तंत्रिका क्षति वाले लोग के उपचार के लिए नए उपचार और नैदानिक ​​​​अनुप्रयोग बनाए जा सकें। न्यूरोमोड्यूलेटर उपकरण पार्किंसंस रोग, डिस्टोनिया, कंपकंपी, टॉरेट, क्रोनिक दर्द, ओसीडी, गंभीर अवसाद और अंततः मिर्गी से संबंधित तंत्रिका तंत्र की शिथिलता को ठीक कर सकते हैं। विभिन्न दोषों के उपचार के रूप में न्यूरोमॉड्यूलेशन आकर्षक होते है क्योंकि यह मात्र मस्तिष्क के अत्यधिक विशिष्ट क्षेत्रों के उपचार पर ध्यान केंद्रित करता है, जो प्रणालीगत उपचारों के विपरीत है जो शरीर पर दुष्प्रभाव डाल सकते हैं। न्यूरोमोड्यूलेटर उत्तेजक जैसे कि सूक्ष्मइलेक्ट्रोड सारणियाँ मस्तिष्क के कार्य को उत्तेजित और अभिलेख कर सकते हैं और आगे के सुधारों के साथ दवाओं और अन्य उत्तेजनाओं के लिए समायोज्य और उत्तरदायी वितरण उपकरण बना सकते हैं।

तंत्रिका पुनर्विकास और पुनर्निर्माण

तंत्रिका अभियांत्रिकी और पुनर्वास परिधीय और केंद्रीय तंत्रिका तंत्र कार्यों की जाँच करने और मस्तिष्क क्षति या विकार से उत्पन्न समस्याओं के नैदानिक ​​समाधान का अन्वेषण करने के लिए तंत्रिका विज्ञान और अभियांत्रिकी को प्रयुक्त करता है। तंत्रिका पुनर्जनन पर प्रयुक्त अभियांत्रिकी अभियांत्रिकी उपकरणों और सामग्रियों पर केंद्रित होती है जो विशिष्ट अनुप्रयोगों के लिए तंत्रिकाकोशिका के विकास की सुविधा प्रदान करती है जैसे कि परिधीय तंत्रिका चोट का पुनर्जनन, रीढ़ की हड्डी की चोट के लिए रीढ़ की हड्डी के ऊतकों का पुनर्जनन और रेटिना ऊतक का पुनर्जनन। जेनेटिक अभियांत्रिकी और ऊतक अभियांत्रिकी ऐसे क्षेत्र हैं जो रीढ़ की हड्डी को फिर से विकसित करने के लिए मचान विकसित करते हैं और इस प्रकार स्नायविक समस्याओं में सहायता करते हैं (श्मिट और लीच 2003)।

अनुसंधान और अनुप्रयोग

तंत्रिका अभियांत्रिकी पर केंद्रित अनुसंधान यह अध्ययन करने के लिए उपकरणों का उपयोग करता है कि तंत्रिका तंत्र कैसे कार्य करता है और यह कैसे दोषपूर्ण हो जाती है (श्मिट और लीच 2003)।

तंत्रिका इमेजिंग

तंत्रिकाइमेजिंग तकनीकों का उपयोग तंत्रिका नेटवर्क की गतिविधि, साथ ही मस्तिष्क की संरचना और कार्य की जांच के लिए किया जाता है। न्यूरोइमेजिंग तकनीकों में कार्यात्मक चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग (एफएमआरआई), चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग (एमआरआई), पोजीट्रान एमिशन टोमोग्राफी (पीईटी) और गणना की गई अक्षीय टोमोग्राफी (सीएटी) स्कैन सम्मिलित हैं। कार्यात्मक न्यूरोइमेजिंग अध्ययन इस बात में रुचि रखते हैं कि मस्तिष्क के कौन से क्षेत्र विशिष्ट कार्य करते हैं। एफएमआरआई हेमोडायनामिक गतिविधि को मापता है जो तंत्रिका गतिविधि से निकटता से जुड़ा हुआ है। इसका उपयोग किसी दिए गए कार्य या उत्तेजना के लिए मस्तिष्क के विशिष्ट क्षेत्रों में चयापचय प्रतिक्रियाओं को मैप करने के लिए किया जाता है। पीईटी, सीटी स्कैनर और इलेक्ट्रोएन्सेफलोग्राफी (ईईजी) में वर्तमान में सुधार किया जा रहा है और समान उद्देश्यों के लिए उपयोग किया जा रहा है।

तंत्रिका नेटवर्क

तंत्रिका तंत्र को यथासंभव यथार्थवादी विधि से प्रतिरूपण करने की आशा के साथ तंत्रिका नेटवर्क बनाने के लिए वैज्ञानिक न्यूरोनल प्रणालियों के प्रयोगात्मक अवलोकनों और इन प्रणालियों के सैद्धांतिक और अभिकलनात्मक प्रतिरूप का उपयोग कर सकते हैं। तंत्रिका नेटवर्क का उपयोग आगे के न्यूरोतकनीकी उपकरणों को रूपरेखा करने में सहायता के लिए विश्लेषण के लिए किया जा सकता है। विशेष रूप से, शोधकर्ता गतियों के तंत्रिका तंत्र नियंत्रण को निर्धारित करने के लिए विश्लेषणात्मक या परिमित तत्व प्रतिरूपण को संभालते हैं और मस्तिष्क की चोटों या विकारों वाले रोगियों की सहायता के लिए इन तकनीकों को प्रयुक्त करते हैं। कृत्रिम तंत्रिका नेटवर्क सैद्धांतिक और अभिकलनात्मक प्रतिरूप से बनाया जा सकता है और सैद्धांतिक रूप से उपकरण समीकरणों या न्यूरोनल प्रणाली के देखे गए व्यवहार के प्रयोगात्मक परिणामों से कंप्यूटर पर प्रयुक्त किया जा सकता है। प्रतिरूप आयन सांद्रता गतिशीलता, चैनल गतिकी, अन्तर्ग्रथनी संचरण, एकल तंत्रिकाकोशिका गणना, ऑक्सीजन चयापचय, या गतिशील प्रणाली सिद्धांत के अनुप्रयोग (लाप्लाका एट अल 2005) का प्रतिनिधित्व कर सकते हैं। तरल-आधारित टेम्पलेट असेंबली का उपयोग तंत्रिकाकोशिका-सीडेड सूक्ष्मकैरियर मोतियों से 3डी तंत्रिका नेटवर्क को अभियंता करने के लिए किया गया था।

तंत्रिका अंतरफलक

तंत्रिका अंतरफलक एक प्रमुख तत्व है जिसका उपयोग तंत्रिका प्रणालियों का अध्ययन करने और अभियंता उपकरणों के साथ न्यूरोनल कार्य को बढ़ाने या परिवर्तन के लिए किया जाता है। अभियंताों को ऐसे इलेक्ट्रोड विकसित करने की चुनौती दी गई है जो तंत्रिका तंत्र की गतिविधि के बारे में जानकारी एकत्र करने और उस ऊतक के कार्य या संवेदना को पुनर्स्थापना करने के लिए तंत्रिका ऊतक के निर्दिष्ट क्षेत्रों को उत्तेजित करने के लिए संबंधित इलेक्ट्रॉनिक परिपथ से चुनिंदा अभिलेख कर सकते हैं (कलेन एट अल। 2011)। इन उपकरणों के लिए उपयोग की जाने वाली सामग्रियों को तंत्रिका ऊतक के यांत्रिक गुणों के समरूप होनी चाहिए जिसमें उन्हें रखा गया है और क्षति का आकलन किया जाना चाहिए। तंत्रिका अंतराफलकिंग में जैव सामग्री मचान या क्रोनिक इलेक्ट्रोड का अस्थायी पुनर्जनन सम्मिलित होता है और इसे शरीर की विदेशी शरीर प्रतिक्रिया का प्रबंधन करना चाहिए। सूक्ष्मइलेक्ट्रोड सारणी हालिया प्रगति हैं जिनका उपयोग तंत्रिका नेटवर्क (कलेन एंड फ़िस्टर 2011) का अध्ययन करने के लिए किया जा सकता है। प्रकाशीय तंत्रिका अंतराफलक में प्रकाशीय अभिलेखिंग और ऑप्टोजेनेटिक्स सम्मिलित होते हैं, जो मस्तिष्क की कुछ कोशिकाओं को उनकी गतिविधि को नियंत्रित करने के लिए प्रकाश के प्रति संवेदनशील बनाते हैं। प्रकाश का उपयोग करके लक्षित तंत्रिकाकोशिका को उत्तेजित या शांत करने के लिए फाइबर प्रकाशिकी को मस्तिष्क में प्रत्यारोपित किया जा सकता है, साथ ही इलेक्ट्रोड का उपयोग करने के अतिरिक्त फोटॉन गतिविधि - तंत्रिका गतिविधि का एक प्रॉक्सी (आंकड़ा) अभिलेख किया जा सकता है। दो-फोटॉन उत्तेजना सूक्ष्मस्कोपी जीवित न्यूरोनल नेटवर्क और तंत्रिकाकोशिका के मध्य संचार घटनाओं का अध्ययन कर सकती है।

मस्तिष्क-कंप्यूटर अंतरफलक

मस्तिष्क-कंप्यूटर अंतराफलक तंत्रिका परिपथ की पर्यवेक्षणऔर उत्तेजना के साथ-साथ आंतरिक तंत्रिका संबंधी शिथिलता का निदान और उपचार करने के लिए मानव तंत्रिका तंत्र के साथ सीधे संवाद करना चाहता है। गहन मस्तिष्क उत्तेजना इस क्षेत्र में एक महत्वपूर्ण प्रगति है जो विशेष रूप से कंपकंपी को दबाने के लिए तंत्रिका ऊतक की उच्च आवृत्ति उत्तेजना के साथ पार्किंसंस रोग जैसे संचलन संबंधी विकारों के उपचार में प्रभावी होता है (लेगा एट अल 2011)।

सूक्ष्मप्रणाली

तंत्रिका ऊतक को विद्युत, रासायनिक, चुंबकीय और प्रकाशीय संकेतों की व्याख्या और वितरण करने के लिए तंत्रिका सूक्ष्मप्रणाली विकसित किया जा सकता है। वे झिल्ली क्षमता में भिन्नता का पता लगा सकते हैं और इलेक्ट्रोड का उपयोग करके, या रासायनिक सांद्रता, प्रतिदीप्ति प्रकाश की तीव्रता, या चुंबकीय क्षेत्र क्षमता का आकलन करके स्पाइक जनसंख्या, आयाम या दर जैसे विद्युत गुणों को माप सकते हैं। इन प्रणालियों का लक्ष्य ऐसे संकेत प्रदान करना है जो न्यूरोनल ऊतक क्षमता को प्रभावित करेंगे और इस प्रकार मस्तिष्क के ऊतकों को वांछित प्रतिक्रिया उत्पन्न करने के लिए उत्तेजित करेंगे (एचई 2005)।

सूक्ष्मइलेक्ट्रोड सरणी

सूक्ष्मइलेक्ट्रोड सरणियाँ विशिष्ट उपकरण हैं जिनका उपयोग बाह्य कोशिकीय वातावरण में वोल्टेज में तीव्र परिवर्तन का पता लगाने के लिए किया जाता है जो एक अक्षतंतु के नीचे क्रिया सामर्थ्य के प्रसार से होता है। डॉ. मार्क एलन और डॉ. लाप्लाका ने एसयू-8 और एसएलए पॉलिमर जैसे साइटोसंगत सामग्रियों से सूक्ष्मफैब्रिकेटेड 3डी इलेक्ट्रोड बनाए हैं, जिससे ऊतक व्यवधान को कम करने के लिए उच्च अनुपालन और लचीलेपन की विशेषताओं के साथ कृत्रिम परिवेशीय और विवो में सूक्ष्मइलेक्ट्रोड प्रणाली का विकास हुआ है।

तंत्रिका कृत्रिम अंग

तंत्रिकाप्रोस्थेटिक्स ऐसे उपकरण होते हैं जो तंत्रिका तंत्र को उत्तेजित करके और उसकी गतिविधि को अभिलेख करके तंत्रिका तंत्र के लापता कार्यों को पूरक या प्रतिस्थापित करने में सक्षम होता हैं। इलेक्ट्रोड जो तंत्रिकाओं की सक्रियता को मापते हैं, कृत्रिम उपकरणों के साथ एकीकृत हो सकते हैं और उन्हें प्रेषित संकेत द्वारा इच्छित कार्य करने के लिए संकेत दे सकते हैं। संवेदी कृत्रिम अंग जैविक स्रोतों से गायब हो सकने वाले तंत्रिका इनपुट को परिवर्तन के लिए कृत्रिम संवेदक का उपयोग करते हैं (एचई 2005)। इन उपकरणों पर शोध करने वाले अभियंताों पर न्यूरोनल ऊतक के साथ एक दीर्घकालिक, सुरक्षित, कृत्रिम अंतरफलक प्रदान करने का आरोप लगाया गया है। शायद इन संवेदी कृत्रिम अंगों में सबसे सफल कर्णावर्त तंत्रिका प्रत्यारोपण है जिसने बधिरों की सुनने की क्षमता को पुनर्स्थापना कर दिया है। नेत्रहीन व्यक्तियों की दृश्य क्षमताओं की पुनर्स्थापना करने के लिए दृश्य कृत्रिम अंग अभी भी विकास के अधिक प्रारंभिक चरण में है। मोटर प्रोस्थेटिक्स जैविक तंत्रिका मांसपेशी प्रणाली की विद्युत उत्तेजना से जुड़े उपकरण हैं जो मस्तिष्क या रीढ़ की हड्डी के नियंत्रण तंत्र को प्रतिस्थापित कर सकते हैं। स्मार्ट कृत्रिम अंग को किसी कटे हुए व्यक्ति के स्टंप से मांसपेशियों में तंत्रिकाओं को प्रत्यारोपित करके तंत्रिका संकेतों द्वारा नियंत्रित लापता अंगों को परिवर्तन के लिए निर्माण किया जा सकता है। संवेदी प्रोस्थेटिक्स परिधि से यांत्रिक उत्तेजनाओं को तंत्रिका तंत्र द्वारा सुलभ एन्कोडेड जानकारी में परिवर्तित करके संवेदी प्रतिक्रिया प्रदान करता है। त्वचा पर लगाए गए इलेक्ट्रोड संकेतों की व्याख्या कर सकते हैं और फिर कृत्रिम अंग को नियंत्रित कर सकते हैं। ये प्रोस्थेटिक्स बहुत सफल रहे हैं। कार्यात्मक विद्युत उत्तेजना (एफईएस) एक प्रणाली है जिसका उद्देश्य खड़े होने, चलने और हाथ पकड़ने जैसी मोटर प्रक्रियाओं को पुनर्स्थापना करना है।

न्यूरोरोबोटिक्स

न्यूरोरोबोटिक्स इस बात का अध्ययन है कि कैसे तंत्रिका तंत्र को मूर्त रूप दिया जा सकता है और यांत्रिक मशीनों में गतिविधियों का अनुकरण किया जा सकता है। न्यूरोरोबोट्स का उपयोग सामान्यतः मोटर नियंत्रण और गति, सीखने और स्मृति चयन, और मूल्य प्रणाली और क्रिया चयन का अध्ययन करने के लिए किया जाता है। वास्तविक दुनिया के वातावरण में न्यूरोरोबोट्स का अध्ययन करके, उन्हें अंतर्निहित तंत्रिका प्रणालियों और इसके पर्यावरण के प्रति इन प्रणालियों की प्रतिक्रियाओं के संदर्भ में रोबोट कार्य के अनुमानों का वर्णन करने के लिए अधिक सरलता से देखा और मूल्यांकन किया जाता है (क्रिचमार 2008)। उदाहरण के लिए, एपिलेक्टिक स्पाइक-तरंग गतिकी के एक अभिकलनात्मक प्रतिरूप का उपयोग करते हुए, छद्मवर्णक्रमीय प्रोटोकॉल के माध्यम से अभिग्रहण कमी को अनुकरण करने के लिए एक विधि की प्रभावशीलता पहले ही सिद्ध हो चुकी है। अभिकलनात्मक प्रतिरूप अज्ञातहेतुक सामान्यीकृत मिर्गी वाले रोगी से चुंबकीय इमेजिंग अनुनाद का उपयोग करके मस्तिष्क कनेक्टिविटी का अनुकरण करता है। यह विधि दौरे को कम करने में सक्षम उत्तेजना उत्पन्न करने में सक्षम थी।

तंत्रिका ऊतक पुनर्जनन

तंत्रिका ऊतक पुनर्जनन, या तंत्रिका पुनर्जनन उन तंत्रिकाकोशिका के कार्य की पुनर्स्थापना करने के लिए किया जाता है जो छोटी चोटों और दर्दनाक मस्तिष्क की चोट जैसी बड़ी चोटों से क्षतिग्रस्त हो गए हैं। क्षतिग्रस्त नसों की कार्यात्मक पुनर्स्थापनाी में अक्षतंतु को पुनरुत्पादन स्थल तक पहुंचाने के लिए एक सतत मार्ग की पुन: स्थापना सम्मिलित है। जॉर्जिया इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी में डॉ. लाप्लाका जैसे शोधकर्ता टिशू अभियांत्रिकी रणनीतियों को प्रयुक्त करके दर्दनाक मस्तिष्क की चोट और रीढ़ की हड्डी की चोट के पश्चात् पुनर्निर्माण और पुनर्जनन के लिए उपचार का अन्वेषण करने में सहायता करना चाहते हैं। डॉ. लाप्लाका एक दर्दनाक अपमान के पश्चात् बनने वाले अनियमित आकार के घावों में न्यूनतम आक्रामक डिलीवरी के लिए एक बाह्य आव्युह प्रोटीन आधारित मचान के साथ तंत्रिका मूल कोशिकाओं के संयोजन के विधियों पर गौर कर रहे हैं। इन विट्रो में तंत्रिका मूल कोशिकाओं का अध्ययन करना और वैकल्पिक कोशिका स्रोतों का अन्वेषण करना, नवीन जैव बहुलक की अभियांत्रिकी करना जिनका उपयोग मचान में किया जा सकता है, और दर्दनाक मस्तिष्क और रीढ़ की हड्डी की चोट के प्रतिरूप में कोशिका या ऊतक अभियंता निर्माण प्रत्यारोपण की जांच करना, डॉ. लाप्लाका की प्रयोगशाला का लक्ष्य है चोट के पश्चात् तंत्रिका पुनर्जनन के लिए इष्टतम रणनीतियों की पहचान करना।

नैदानिक ​​​​उपचार के लिए वर्तमान दृष्टिकोण

क्षतिग्रस्त तंत्रिका सिरों के अंत से अंत तक शल्य चिकित्सा सिवनी ऑटोलॉगस तंत्रिका ग्राफ्ट के साथ छोटे अंतराल की पुनर्निर्माण कर सकती है। बड़ी चोटों के लिए, शरीर में किसी अन्य साइट से निकाले गए ऑटोलॉगस तंत्रिका ग्राफ्ट का उपयोग किया जा सकता है, यद्यपि यह प्रक्रिया समय लेने वाली, महंगी है और दो शल्य चिकित्सा की आवश्यकता होती है (श्मिट और लीच 2003)। सीएनएस के लिए नैदानिक ​​​​उपचार न्यूनतम रूप से उपलब्ध होता है और अधिकतर चोट या सूजन की जगह के पास हड्डी के टुकड़ों के कारण होने वाली संपार्श्विक क्षति को कम करने पर केंद्रित होता है। चोट के आसपास की सूजन कम होने के पश्चात्, रोगियों को पुनर्वास से निकलना पड़ता है जिससें शेष नसों को घायल नसों में तंत्रिका कार्य की कमी की भरपाई करने के लिए प्रशिक्षित किया जा सके। क्षतिग्रस्त सीएनएस तंत्रिकाओं के तंत्रिका कार्य की पुनर्स्थापना करने के लिए वर्तमान में कोई उपचार उपस्थित नहीं है (श्मिट और लीच 2003)।

पुनर्निर्माण के लिए अभियांत्रिकी रणनीतियाँ

रीढ़ की हड्डी की चोट की पुनर्निर्माण के लिए अभियांत्रिकी रणनीतियाँ तंत्रिका पुनर्जनन के लिए अनुकूल वातावरण बनाने पर केंद्रित होती हैं। अब तक मात्र पीएनएस तंत्रिका क्षति ही चिकित्सकीय रूप से संभव है, लेकिन आनुवंशिक तकनीकों और जैव सामग्री के अनुसंधान में प्रगति एससी तंत्रिकाओं के लिए अनुमेय वातावरण में पुनर्जीवित होने की क्षमता को प्रदर्शित करती है।

ग्राफ्ट

ऑटोलॉगस ऊतक ग्राफ्ट के लाभ यह हैं कि वे प्राकृतिक सामग्रियों से आते हैं जिनमें जैव अनुकूलता की उच्च संभावना होती है, जबकि तंत्रिकाओं को संरचनात्मक समर्थन प्रदान करते हैं जो कोशिका आसंजन और प्रवासन को प्रोत्साहित करते हैं (श्मिट और लीच 2003)। नॉनऑटोलॉगस ऊतक, अकोशिकीय ग्राफ्ट और बाह्यकोशिकीय आव्युह आधारित सामग्री सभी विकल्प हैं जो तंत्रिका पुनर्जनन के लिए आदर्श मचान भी प्रदान कर सकते हैं। कुछ एलोजेनिक या ज़ेनोजेनिक ऊतकों से आते हैं जिन्हें प्रतिरक्षादमनकारी के साथ जोड़ा जाना चाहिए। जबकि अन्य में छोटी आंत सबम्यूकोसा और एमनियोटिक ऊतक ग्राफ्ट (श्मिट और लीच 2003) सम्मिलित हैं। कृत्रिम सामग्री आकर्षक विकल्प हैं क्योंकि उनके भौतिक और रासायनिक गुणों को सामान्यतः नियंत्रित किया जा सकता है। कृत्रिम सामग्री के साथ जो चुनौती बनी हुई है वह है जैव अनुकूलता (श्मिट और लीच 2003)। मिथाइलकोशिकाुलोज-आधारित निर्माणों को इस उद्देश्य की पूर्ति के लिए एक जैव-संगत विकल्प के रूप में दिखाया गया है (टेट एट अल। 2001)। एक्सोजेन मानव तंत्रिका की नकल करने के लिए कोशिका ग्राफ्ट तकनीक अवांस का उपयोग करता है। यह दिखाया गया है कि परिधीय तंत्रिका चोटों वाले 87 प्रतिशत रोगियों में सार्थक सुधार हुआ है।

तंत्रिका निर्देशन चैनल

तंत्रिका निर्देशन चैनल, तंत्रिका निर्देशन नलिका बड़े दोषों पर ध्यान केंद्रित करने वाली नवीन रणनीतियाँ हैं जो विकास को निर्देशित करने वाले अक्षतंतु को अंकुरित करने और निशान ऊतक से विकास अवरोध को कम करने के लिए एक नलिका प्रदान करती हैं। तंत्रिका निर्देशन चैनलों को सरलता से वांछित आयामों के साथ एक नलिका में बनाया जाना चाहिए, रोगाणुरहित करने योग्य, आंसू प्रतिरोधी, और संभालने और सीवन करने में सरल करने योग्य बनाया जाना चाहिए (श्मिट और लीच 2003)। आदर्श रूप से वे तंत्रिका पुनर्जनन के साथ समय के साथ व्यर्थ हो जाएंगे, लचीले, अर्धपारगम्य होंगे, अपना आकार बनाए रखेंगे, और एक समतल आंतरिक दीवार होगी जो वास्तविक तंत्रिका की नकल करेगी (श्मिट और लीच 2003)।

जैव-आणविक उपचार

तंत्रिका पुनर्जनन को बढ़ावा देने के लिए अत्यधिक नियंत्रित वितरण प्रणालियों की आवश्यकता होती है। न्यूरोट्रॉफिक कारक विकास, अस्तित्व, विकास और शाखाकरण को प्रभावित कर सकते हैं। न्यूरोट्रॉफिन में तंत्रिका वृद्धि कारक (एनजीएफ), मस्तिष्क व्युत्पन्न न्यूरोट्रॉफिक कारक (बीडीएनएफ), न्यूरोट्रोफिन्स-3 (एनटी-3) और न्यूरोट्रॉफिन-4/5 (एनटी-4/5) सम्मिलित हैं। अन्य कारक सिलिअरी न्यूरोट्रॉफिक कारक (सीएनटीएफ), ग्लियाल कोशिका लाइन-व्युत्पन्न वृद्धि कारक (जीडीएनएफ) और अम्लीय और मौलिक फाइब्रोब्लास्ट ग्रोथ फैक्टर (एएफजीएफ, बीएफजीएफ) हैं जो तंत्रिका प्रतिक्रियाओं की एक श्रृंखला को बढ़ावा देते हैं। (श्मिट और लीच 2003) फ़ाइब्रोनेक्टिन को चूहों में टीबीआई के पश्चात् तंत्रिका पुनर्जनन का समर्थन करने के लिए दिखाया गया है (टेट एट अल. 2002)। अन्य उपचार पुनर्जनन से जुड़े जीन (आरएजी), न्यूरोनल साइटोस्केलेटल घटकों और एंटीएपोप्टोसिस कारकों को उन्नयन करके तंत्रिकाओं के पुनर्जनन पर ध्यान दे रहे हैं। आरएजी में जीएपी-43 और कैप-23, आसंजन अणु जैसे एल1 परिवार, एनसीएएम और एन कैडेरिन (श्मिट और लीच 2003) सम्मिलित हैं। ग्लियाल घाव के कारण सीएनएस में निरोधात्मक बायोमोलेक्यूल्स को अवरुद्ध करने की भी संभावना होती है। वर्तमान में अध्ययन किए जा रहे कुछ में चोंड्रोइटिनेज़ एबीसी और एनजीआर, एडीपी-राइबोस (श्मिट और लीच 2003) को अवरुद्ध करने वाले उपचार सम्मिलित हैं।

वितरण तकनीक

डिलीवरी उपकरण विवो में जैव अनुकूल और स्थिर होने चाहिए। कुछ उदाहरणों में ऑस्मोटिक पंप, सिलिकॉन जलाशय, पॉलिमर मैट्रिसेस और सूक्ष्मस्फेयर सम्मिलित हैं। विकास कारकों के दीर्घकालिक उत्पादन प्रदान करने के लिए जीन थेरेपी तकनीकों का भी अध्ययन किया गया है और इसे वायरल या गैर-वायरल सदिश जैसे लिपोप्लेक्स के साथ वितरित किया जा सकता है। कोशिकाएं ईसीएम घटकों, न्यूरोट्रॉफिक कारकों और कोशिका आसंजन अणुओं के लिए भी प्रभावी वितरण वाहन हैं। घ्राण एनशीथिंग कोशिकाएं (ओईसी) और मूल कोशिकाओं के साथ-साथ आनुवंशिक रूप से संशोधित कोशिकाओं का उपयोग तंत्रिका पुनर्जनन का समर्थन करने के लिए प्रत्यारोपण के रूप में किया गया है (लाप्लाका एट अल. 2005, श्मिट और लीच 2003, टेट एट अल. 2002)।

उन्नत उपचार

उन्नत उपचार सम्मिश्र निर्देशन चैनलों और कई उत्तेजनाओं को जोड़ते हैं जो आंतरिक संरचनाओं पर ध्यान केंद्रित करते हैं जो अनुदैर्ध्य रूप से संरेखित फाइबर या चैनलों के आंतरिक आव्युह वाले तंत्रिका वास्तुकला की नकल करते हैं। इन संरचनाओं के निर्माण में कई तकनीकों का उपयोग किया जा सकता है: चुंबकीय पॉलिमर फाइबर संरेखण, अंतः क्षेपण ढलाई, चरण पृथक्करण, ठोस मुक्त-रूप निर्माण, और स्याही जेट पॉलिमर प्रिंटिंग (श्मिट और लीच 2003)।

तंत्रिका वृद्धि

मानव तंत्रिका तंत्र का संवर्द्धन, या अभियांत्रिकी तकनीकों का उपयोग करके मानव संवर्द्धन न्यूरोअभियांत्रिकी का एक और संभावित अनुप्रयोग है। जैसा कि वर्तमान में स्नायविक विकारों के लिए इस उपचार का उपयोग करने वाले रोगियों द्वारा ध्यान किया गया है, गहरी मस्तिष्क उत्तेजना को पहले से ही स्मृति स्मरण को बढ़ाने के लिए दिखाया गया है। मस्तिष्क उत्तेजना तकनीकों को व्यक्ति के अनुरोध के अनुसार भावनाओं और व्यक्तित्वों को उत्कीर्ण करने के साथ-साथ प्रेरणा बढ़ाने, अवरोधों को कम करने आदि में सक्षम माना जाता है। इस प्रकार के मानव संवर्धन के साथ नैतिक सवालों का एक नया समूह हैं जिनसे तंत्रिका अभियंताों को इन अध्ययनों के विकसित होने के साथ जूझना पड़ता है।

यह भी देखें

• मस्तिष्क-कंप्यूटर अंतरफलक
• मस्तिष्क-पढ़ना
• साइबरनेटिक्स
• साइबरवेयर
• तंत्रिकाप्रोस्थेटिक्स
• तंत्रिका सुरक्षा
• न्यूरोटेक्नोलॉजी
• प्रोस्थेटिक न्यूरोनल मेमोरी सिलिकॉन चिप्स
• संवेदी प्रतिस्थापन
• नकली वास्तविकता

संदर्भ

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बाहरी संबंध

• IEEE Transactions on Biomedical Engineering
• IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering
• The Journal of Neural Engineering
• JNER Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation
• Journal of Neurophysiology