न्यूरल डस्ट

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तंत्रिका धूल वायरलेस पावर ट्रांसफर तंत्रिका सेंसर के रूप में संचालित नैनोमीटर आकार के उपकरणों का एक काल्पनिक वर्ग है; यह एक प्रकार का मस्तिष्क-कंप्यूटर इंटरफ़ेस है। सेंसर का उपयोग नसों और मांसपेशियों के अध्ययन, निगरानी या नियंत्रण के लिए और दूर से तंत्रिका गतिविधि की निगरानी के लिए किया जा सकता है। व्यवहार में, एक चिकित्सा उपचार हजारों तंत्रिका धूल उपकरणों को मानव मस्तिष्क में पेश कर सकता है। यह शब्द स्मार्ट धूल से लिया गया है, क्योंकि न्यूरल डस्ट के रूप में उपयोग किए जाने वाले सेंसर को भी इस अवधारणा द्वारा परिभाषित किया जा सकता है।[1]


पृष्ठभूमि

न्यूरल धूल के लिए डिजाइन पहली बार कैलिफोर्निया विश्वविद्यालय, बर्कले वायरलेस रिसर्च सेंटर से 2011 के एक पेपर में प्रस्तावित किया गया था, जिसमें लंबे समय तक चलने वाले वायरलेस मस्तिष्क-कंप्यूटर इंटरफ़ेस | ब्रेन कंप्यूटर इंटरफेस (बीसीआई) बनाने की चुनौतियों और उत्कृष्ट लाभों दोनों का वर्णन किया गया था।[2] जबकि बीसीआई का इतिहास 1924 में हंस बर्जर द्वारा इलेक्ट्रोएन्सेफलोग्राफी के आविष्कार के साथ शुरू होता है, यह शब्द 1970 के दशक तक वैज्ञानिक साहित्य में प्रकट नहीं हुआ था। राष्ट्रीय विज्ञान संस्था के शोध अनुदान के बाद क्षेत्र का हॉलमार्क शोध कैलिफ़ोर्निया विश्वविद्यालय, लॉस एंजिल्स (यूसीएलए) से आया है।[3] जबकि तंत्रिका धूल बीसीआई की श्रेणी में आती है, इसका उपयोग न्यूरोप्रोस्थेटिक्स (न्यूरल प्रोस्थेटिक्स के रूप में भी जाना जाता है) के क्षेत्र में भी किया जा सकता है। जबकि शब्दों को कभी-कभी एक दूसरे के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है, मुख्य अंतर यह है कि जहां बीसीआई आमतौर पर तंत्रिका गतिविधि को सीधे एक कंप्यूटर से जोड़ता है, वहीं न्यूरोप्रोस्थेटिक्स केंद्रीय तंत्रिका तंत्र में गतिविधि को एक लापता या बिगड़ा हुआ शरीर के अंग के कार्य को बदलने के लिए एक उपकरण से जोड़ते हैं। .

समारोह

घटक

तंत्रिका धूल प्रणाली के प्रमुख घटकों में सेंसर नोड्स (तंत्रिका धूल) शामिल हैं, जिनका लक्ष्य 10-100 माइक्रोमीटर में होना है3 पैमाना, और एक खोपड़ी | उप-कपालीय पूछताछकर्ता, जो ड्यूरा मेटर के नीचे बैठेगा और तंत्रिका धूल को शक्ति और संचार लिंक दोनों प्रदान करेगा। न्यूरल डस्ट मॉट्स में रिकॉर्डिंग इलेक्ट्रोड, एक कस्टम ट्रांजिस्टर और एक पीजोइलेक्ट्रिक सेंसर सेंसर की एक जोड़ी होती है। <रेफरी नाम = एसईओ 2016 529-539>{{Cite journal|last=Seo|first=Dongjin|last2=Neely|first2=Ryan M.|last3=Shen|first3=Konlin|last4=Singhal|first4=Utkarsh|last5=Alon|first5=Elad|last6=Rabaey|first6=Jan M.|last7=Carmena|first7=Jose M.|last8=Maharbiz|first8=Michel M.|title=अल्ट्रासोनिक तंत्रिका धूल के साथ परिधीय तंत्रिका तंत्र में वायरलेस रिकॉर्डिंग|journal=Neuron|volume=91|issue=3|pages=529–539|doi=10.1016/j.neuron.2016.06.034|pmid=27497221|year=2016|doi-access=free}</ref> पीजोइलेक्ट्रिक क्रिस्टल बाह्य अंतरिक्ष से मस्तिष्क गतिविधि को रिकॉर्ड करने और इसे विद्युत संकेत में परिवर्तित करने में सक्षम है।

डेटा और पावर ट्रांसफर

जबकि बीसीआई के कई रूप मौजूद हैं, न्यूरल डस्ट अपने आकार, वायरलेस क्षमता और अल्ट्रासाउंड कंप्यूटर टोमोग्राफी तकनीक के उपयोग के कारण स्वयं की एक श्रेणी में है। जबकि कई तुलनीय उपकरण वायरलेस तंत्रिका सेंसर के साथ बातचीत करने के लिए विद्युत चुम्बकीय तरंगों (जैसे आकाशवाणी आवृति ) का उपयोग करते हैं,[4][5][6][7] अल्ट्रासाउंड का उपयोग उच्च स्थानिक संकल्प के साथ-साथ ऊतक में कम क्षीणन के लाभ प्रदान करता है। इसका परिणाम उच्च प्रवेश गहराई (और इसलिए उप-कपाल संचारक के साथ आसान संचार) के साथ-साथ बिखरने या अवशोषण के कारण शरीर के ऊतकों में वितरित होने वाली अवांछित ऊर्जा को कम करता है।Cite error: Invalid <ref> tag; invalid names, e.g. too many यह अतिरिक्त ऊर्जा गर्मी का रूप ले लेगी, जिससे आसपास के ऊतकों को नुकसान होगा। अल्ट्रासाउंड का उपयोग भी सेंसर नोड्स के अधिक स्केलिंग की अनुमति देता है, जिससे 100 माइक्रोन से कम आकार की अनुमति मिलती है, जो इम्प्लांटेबल इलेक्ट्रॉनिक्स के दायरे में बड़ी संभावना प्रदान करता है।

बैकस्कैटर कम्युनिकेशन

न्यूरल डस्ट मॉट्स के बेहद छोटे आकार के कारण, सेंसर में ही एक कार्यात्मक ट्रांसमीटर बनाना अव्यावहारिक और लगभग असंभव होगा। इस प्रकार रेडियो फ्रिक्वेंसी पहचान (RFID) तकनीकों से अपनाई गई बैकस्कैटर कार्यरत है। आरएफआईडी निष्क्रिय में, बैटरी रहित टैग आरएफ पूछताछकर्ता के करीब होने पर रेडियो फ्रीक्वेंसी (आरएफ) ऊर्जा को अवशोषित और प्रतिबिंबित करने में सक्षम होते हैं, जो एक उपकरण है जो आरएफ ऊर्जा को प्रसारित करता है। चूंकि वे आरएफ ऊर्जा को पूछताछकर्ता को वापस प्रतिबिंबित करते हैं, वे आवृत्ति को संशोधित करने में सक्षम होते हैं, और ऐसा करने में, जानकारी को एन्कोडिंग करते हैं। न्यूरल डस्ट इस विधि को सब-ड्यूरल कम्युनिकेटर द्वारा एक अल्ट्रासाउंड पल्स भेजने के द्वारा नियोजित करता है जो तब न्यूरल डस्ट सेंसर द्वारा परिलक्षित होता है। पीजोइलेक्ट्रिक क्रिस्टल कोशिकी में अपने स्थान से संभावित कार्रवाई का पता लगाता है, और पूछताछ करने वाले को वापस परावर्तित होने वाली अल्ट्रासाउंड ऊर्जा को इस तरह से संशोधित किया जाएगा जो रिकॉर्ड की गई गतिविधि को संप्रेषित करेगी।[8] तंत्रिका धूल संवेदक के एक प्रस्तावित मॉडल में, ट्रांजिस्टर मॉडल ने स्थानीय क्षेत्र क्षमता और क्रिया क्षमता स्पाइक्स के बीच अलग करने की एक विधि के लिए अनुमति दी, जो रिकॉर्डिंग से प्राप्त डेटा की एक बहुत ही विविध संपत्ति की अनुमति देगा।[2]


नैदानिक ​​और स्वास्थ्य अनुप्रयोग

तंत्रिका प्रोस्थेटिक्स

तंत्रिका कृत्रिम अंगों के कुछ उदाहरणों में कर्णावत प्रत्यारोपण शामिल हैं जो सुनवाई को बहाल करने में सहायता कर सकते हैं,[9] कृत्रिम सिलिकॉन रेटिना माइक्रोचिप्स जो रेटिनाइटिस पिगमेंटोसा से रेटिनल अध: पतन के इलाज में प्रभावी साबित हुए हैं,[10] और यहां तक ​​​​कि मोटर कृत्रिम अंग जो चतुर्भुज या पेशीशोषी पार्श्व काठिन्य जैसे विकारों से प्रभावित लोगों में गति की क्षमता प्रदान कर सकते हैं।[11] मोटर कृत्रिम अंग के संयोजन में तंत्रिका धूल का उपयोग आंदोलन के बहुत बेहतर नियंत्रण की अनुमति दे सकता है।

इलेक्ट्रोस्टिम्यूलेशन

जबकि नसों और मानव मस्तिष्क की विद्युत उत्तेजना के तरीकों को पहले से ही कुछ समय के लिए नियोजित किया गया है, तंत्रिका धूल का आकार और वायरलेस प्रकृति तकनीक के नैदानिक ​​​​अनुप्रयोगों में उन्नति की अनुमति देती है। महत्वपूर्ण रूप से, क्योंकि neurostimulation के पारंपरिक तरीके और तंत्रिका उत्तेजना के कुछ प्रकार जैसे कि रीढ़ की हड्डी उत्तेजक प्रत्यारोपित इलेक्ट्रोड का उपयोग करते हैं जो तारों से जुड़े रहते हैं, संक्रमण और जख्म का खतरा अधिक होता है। हालांकि ये जोखिम तंत्रिका धूल के उपयोग में एक कारक नहीं हैं, सेंसर नोड के लिए पर्याप्त विद्युत प्रवाह लागू करने की चुनौती अभी भी मौजूद है।

स्लीप एपनिया

न्यूरोमॉड्यूलेशन (दवा) उपकरणों ने पहले ही बाधक निंद्रा अश्वसन (OSA) के इलाज में कुछ प्रभाव दिखाया है। गंभीर ओएसए वाले मरीजों पर शल्य चिकित्सा द्वारा प्रत्यारोपित इलेक्ट्रोस्टिम्यूलेशन डिवाइस का उपयोग करने वाले शोधकर्ताओं ने डिवाइस के उपचार के 12 महीने की अवधि में महत्वपूर्ण सुधार पाया।[12] केंद्रीय स्लीप एपनिया को कम करने में फ्रेनिक तंत्रिका की उत्तेजना को भी प्रभावी दिखाया गया है।[13]


लकवाग्रस्त रोगियों में मूत्राशय पर नियंत्रण

विद्युत उत्तेजना उपकरण रीढ़ की हड्डी की चोट के रोगियों को रीढ़ की त्रिक पूर्वकाल जड़ उत्तेजक क्षेत्र को उत्तेजित करने के लिए रेडियो-लिंक्ड प्रत्यारोपण का उपयोग करके पेशाब करने और शौच करने की क्षमता में सुधार करने की अनुमति देने में प्रभावी रहे हैं।[14]


मिर्गी

मिर्गी के रोगियों में विद्युत उत्तेजना चिकित्सा कुछ समय के लिए एक अच्छी तरह से स्थापित प्रक्रिया रही है, जिसे 1950 के दशक की शुरुआत में खोजा गया था।[15] अमेरिकन एपिलेप्सी सोसाइटी का एक सर्वोपरि लक्ष्य स्वचालित मस्तिष्क विद्युत उत्तेजना (जिसे आकस्मिक, या बंद लूप उत्तेजना के रूप में भी जाना जाता है) का निरंतर विकास है, जो मस्तिष्क के पैटर्न के आधार पर जब्ती-विराम विद्युत उत्तेजना प्रदान करता है जो संकेत देता है कि जब्ती होने वाली है। यह उत्तेजना की तुलना में विकार का एक बेहतर उपचार प्रदान करता है जो इस अनुमान पर आधारित होता है कि जब्ती कब हो सकती है।[16] जबकि वागस तंत्रिका उत्तेजना अक्सर मिरगी के दौरे के उपचार के लिए एक लक्षित क्षेत्र है, समुद्री घोड़ा , चेतक और सबथैलेमिक नाभिक में उत्तेजना की प्रभावकारिता पर शोध किया गया है। पार्किंसंस रोग के उपचार की तकनीक के रूप में बंद-लूप कॉर्टिकल न्यूरोमॉड्यूलेशन की भी जांच की गई है[17]


संदर्भ

  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. ↑ 2.0 2.1 Rabaey, J. M. (September 2011). "मस्तिष्क-मशीन इंटरफेस अत्यधिक लघुकरण में नई सीमा के रूप में". 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). "डायरेक्ट ब्रेन-कंप्यूटर कम्युनिकेशन की ओर". Annual Review of Biophysics and Bioengineering. 2 (1): 157–180. doi:10.1146/annurev.bb.02.060173.001105. PMID 4583653.
  4. ↑ Yeager, D.; Biederman, W.; Narevsky, N.; Leverett, J.; Neely, R.; Carmena, J.; Alon, E.; Rabaey, J. (June 2014). "A 4.78mm2 fully-integrated neuromodulation SoC combining 64 acquisition channels with digital compression and simultaneous dual stimulation". 2014 Symposium on VLSI Circuits Digest of Technical Papers: 1–2. doi:10.1109/vlsic.2014.6858430. ISBN 978-1-4799-3328-0.
  5. ↑ Muller, R.; Le, H. P.; Li, W.; Ledochowitsch, P.; Gambini, S.; Bjorninen, T.; Koralek, A.; Carmena, J. M.; Maharbiz, M. M. (January 2015). "A Minimally Invasive 64-Channel Wireless #x03BC;ECoG Implant". IEEE Journal of Solid-State Circuits. 50 (1): 344–359. doi:10.1109/jssc.2014.2364824. ISSN 0018-9200.
  6. ↑ Kiourti, A.; Lee, C. W. L.; Chae, J.; Volakis, J. L. (January 2016). "विनीत न्यूरोपोटेंशियल मॉनिटरिंग के लिए एक वायरलेस फुली पैसिव न्यूरल रिकॉर्डिंग डिवाइस". IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 63 (1): 131–137. doi:10.1109/tbme.2015.2458583. ISSN 0018-9294. PMID 26208260.
  7. ↑ Schwerdt, H. N.; Xu, W.; Shekhar, S.; Abbaspour-Tamijani, A.; Towe, B. C.; Miranda, F. A.; Chae, J. (October 2011). "आरएफ बैकस्कैटरिंग विधियों का उपयोग करके न्यूरोपोटेंशियल की रिकॉर्डिंग के लिए एक पूरी तरह से निष्क्रिय वायरलेस माइक्रोसिस्टम". Journal of Microelectromechanical Systems. 20 (5): 1119–1130. doi:10.1109/jmems.2011.2162487. ISSN 1057-7157. PMC 3259707. PMID 22267898.
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  9. ↑ Gantz, Bruce J.; Turner, Christopher; Gfeller, Kate E.; Lowder, Mary W. (2005-05-01). "Preservation of Hearing in Cochlear Implant Surgery: Advantages of Combined Electrical and Acoustical Speech Processing" (PDF). The Laryngoscope (in English). 115 (5): 796–802. CiteSeerX 10.1.1.550.6842. doi:10.1097/01.mlg.0000157695.07536.d2. ISSN 1531-4995. PMID 15867642.
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  11. ↑ Hochberg, Leigh R.; Serruya, Mijail D.; Friehs, Gerhard M.; Mukand, Jon A.; Saleh, Maryam; Caplan, Abraham H.; Branner, Almut; Chen, David; Penn, Richard D. (2006-07-13). "टेट्राप्लाजिया के साथ मानव द्वारा कृत्रिम उपकरणों का न्यूरोनल पहनावा नियंत्रण". Nature (in English). 442 (7099): 164–171. Bibcode:2006Natur.442..164H. doi:10.1038/nature04970. ISSN 1476-4687. PMID 16838014.
  12. ↑ Strollo, Patrick J.; Soose, Ryan J.; Maurer, Joachim T.; et al. (2014). "ऑब्सट्रक्टिव स्लीप एपनिया के लिए अपर-एयरवे स्टिमुलेशन". New England Journal of Medicine. 370 (2): 139–149. doi:10.1056/NEJMoa1308659. ISSN 0028-4793.
  13. ↑ Abraham, William T.; Jagielski, Dariusz; Oldenburg, Olaf; et al. (2015). "सेंट्रल स्लीप एपनिया के उपचार के लिए फ्रेनिक नर्व स्टिमुलेशन". JACC: Heart Failure. 3 (5): 360–369. doi:10.1016/j.jchf.2014.12.013. ISSN 2213-1779.
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  17. ↑ Beuter, Anne; Lefaucheur, Jean-Pascal; Modolo, Julien (2014). "Closed-loop cortical neuromodulation in Parkinson's disease: An alternative to deep brain stimulation?". Clinical Neurophysiology. 125 (5): 874–885. doi:10.1016/j.clinph.2014.01.006. PMID 24555921.
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