Izv. prof. dr. sc. Tomislav Pribanić MULTISENZORSKI SUSTAVI I LOKOMOCIJA

Izv. prof. dr. sc. Tomislav Pribanić MULTISENZORSKI SUSTAVI I LOKOMOCIJA

sučelje živog organizma sa vanjskim svijetom mehanoreceptori termoreceptor fotoreceptori nociceptori 90% informacija okoline dolazi posredstvom osjetila vida obradba u različitim dijelovima mozga boja, svjetlina, tekstura, gibanje, prostorna dubina i oblik

starosna degeneracija žute pjege izvor [1] žuta pjega (dio mrežnice) odgovoran za oštar centralni vid čitanje, vožnja automobilom populacija >60 godina

genetičko očno oboljenje Retinis Pigmentosa izvor [2] gubitak retinal pigment epithelial stanica gubitak perifernog vida (tunelski vid) izostanak djelotvornog postupka izlječenja

18. stoljeće, električna stimulacija izazivanje osjeta svijetlih točaka - fosfena (engl. phosphene) C. LeRoy. Ou`lon rend compte de quelques tentatives que lon a faites pour gue rir plusieurs maladies par le lectricite. Hist Acad Roy Sciences (Paris), Me moire Math Phys (1755), 60:87 95

oko vidni (živac) putovi za prosljeđivanje signala vidni korteks mozga izvor [3]

izvor [3] presjek mrežnice, svijetlost ulazi sa lijeve strane inicijalna pretvorba svjetlosti u odgovarajuće električne impulse fotoreceptorski sloj čunjići ~7 milijuna (crvena, zelena, plava) štapići ~125 milijuna (intenzitet svjetla) procesiranje signala: horizontalne, bipolarne, amakrine, ganglijske stanice => optički živac => mozak

bioelektrični napon - polupropusna membrana stanice (citoplazma, jezgra) izvanstanična tekućina - dominiraju natrijevi kationi Na + i klorovi anioni Cl - unutar stanice prevladavaju kalijevi kationi K + te različiti anioni različita koncentracija iona unutar i izvan stanice, polupropusnost membrane => napon napon mirovanja 5-100mV, živčana stanica ~70-85mV vanjski podražaj - prodor Na + u stanicu: depolarizacija stanice

pomicanje napona mirovanja prema pragu podražljivosti, nagli prodor iona kroz membranu skokovita promjena potencijala membrana naglo smanjuje vodljivost za Na +, a povećava propusnost K + kationima za izlaz iz stanice: polarizacija stanice povrat napona na početnu razinu cjelokupna promjena - akcijski potencijal uspostava prvotne koncentraciju iona unutar i izvan stanice Na pumpa i K pumpa (utrošak energije)

izvor [4] neuron (živčana stanica): prihvat, obrada i prijenos informacije glavni je tip stanice koji tvori mozak cjelokupni živčani sustav ima oko 6 milijardi neurona. glavni dijelovi neurona: soma (tijelo stanice), jezgra stanice, dendriti, akson dendriti su produžeci koji sa osjetnih organa ili prethodnih živaca (putem sinapsi) dovode uzbuđenje na tijelo stanice podražaj nakon tijela stanice dalje preuzima akson završetci aksona putem sinapsi uspostavljaju kontakt sa sljedećom živčanom stanicom, mišićem ili žlijezdom sinapsu čini presinapsa (završetak prethodne živčane stanice) te postsinapsa smještena na tijelu živčane stanice kojoj treba predati akcijski potencijal

izvan očne (engl. extraocluar): vidne proteze koje stimuliraju vidni korteks i proteze koje stimuliraju vidni živac unutar očne (engl. intraocular): vidne proteze iza mrežnice oka (engl. subretinal), te proteze implantirane na mrežnicu oka sa njene unutrašnje strane (engl. epiretinal) bez obzira na način izvedbe, vidne proteze se temelje na tri fiziološke pretpostavke/principa rada vida

stimulacija električnom strujom može dati (barem približnu) percepciju vida kakva se inače postiže na prirodan način putem svjetla na vidnom putu nakon mjesta oštećenja koje je uzrok gubitka vida, preostali dio vidnog puta je funkcionalan i sposoban prenijeti vidnu informaciju dalje prema mozgu za konačnu percepciju vida poznata je 'retinotpatsku' organizacija vidnog puta, tj. neuronske strukture koja se stimulira: potrebno je znati koji dijelovi vidnog polja odgovaraju pojedinim neuronima, da bi se električnom stimulacijom dotičnih neurona doživjela odgovarajuća slika scene

kamera za pretvorbu svijeta (slike) u električne signale sklop za preslikavanje elemenata vidnog polja u retinopatsku strukturu živčanog sustava sklopovlje za prijenos energije i podataka izvan tijela do samog implantata unutar tijela sklopovlje za električnu stimulaciju

dio moždane kore odgovoran za obradu vizualnih informacija, a nalazi se u zatiljnom režnju, stražnjem dijelu mozga implantacijom elektroda koje stimuliraju dotični dio mozga izaziva se doživljaj svijetlih točaka fosfena Dobelle je u [5] koristio za stimulaciju nekoliko desetaka elektroda na slijepom ispitaniku te postigao da ispitanik prepoznaje slova veličine 15cm na udaljenosti od 150cm elementi sustava: digitalna video kamera, računalo i popratne elektronike za stimulaciju vidnog korteksa elektroničko sučelje koje umjesto slike kamere može prihvaćati sliku televizora ili sa interneta

doživljene fosfene su crno-bijele zdravi ispitanici opažaju i fosfene u boji proteklo vrijeme od trenutka gubitka vida do ugradnje implantata (!) teškoće određivanja broja fosfena od pojedinih elektroda neželjena interakcija fosfena relativno velike struje stimulacije izvor [5]

potkožna stimulacija dijela vidnog korteksa: manje elektrode, neposredniji pristupu neuronima, lokaliziranija stimulacija jedan od poznatijih implantata sa takvim pristupom nazvan Utah electrode array (UEA) i razvijen na Sveučilištu Utah [6]. silicij kao biokompatibilan materijal za elektrode duljine 1.5mm udaljenih svega 0.4mm, sa vrhovima promjera 80-100 mikrona. poseban pneumatski alat koji je za manje od 100μs 'utiskivao' implantat u vidni korteks općenito stimulacija vidnog korteksa ima za prednost što se izbjegavaju prethodne komponente vidnog osjetila (oko, vidni živac), eventualno potpuno oštećene povrat vida kod najvećeg broja pacijenata nedostatak stimulacije vidnog korteksa je velika kompleksnost rada i interakcije neurona vidnog korteksa, tj. nepoznavanja istog dva bliska neurona u tkivu korteksa ne odgovaraju nužno dvjema susjednim fosfenama signal koji dolazi iz pravca oka, tj. vidnog živca kod zdravog osjetila je velikim dijelom već obrađen na način koji je također velika nepoznanica

građen od aksona ganglijskih stanica mrežnice oka prijenos svjetlosnih podražaja od mrežnice prema vidnom korteksu prednost i nedostatak: praktički čitavo vidno polje odgovara relativno malom području stimulacije gusta živčana struktura od oko 1.2 milijuna aksona unutar promjera 2mm

optički živac obavijen manžetom elektroda za stimulaciju stimulacija bipolarnim signalima različitog intenziteta, trajanja i perioda izvor [7]

bitna stvar općenito kod implementacije vizualnih proteza je suradnja ispitanika nužan period privikavanja ispitanika na doživljaj fosfena i učenja njihove pravilne interpretacije duljina toga perioda može tipično trajati od nekoliko tjedana, pa i duže od nekoliko mjeseci u [7] ispitanik dolazio dva puta tjedno i bio izložen petosatnom (uz pauze) tretmanu uspješno prepoznavanje 45 različitih uzoraka slika okoline su dali vrlo dobre rezultate

ugradnja ispred i iza mrežnice izvor [8] ispred : elektrode za električnu stimulaciju na unutrašnjoj strani retine, neposredno uz ganglijske stanice slike kamere se nakon odgovarajuće obrade bežičnim putem šalju do elektroda za stimulaciju

Argus - vjerojatno najpoznatija izvedba umjetnog oka inačica Argus II komercijalni produkt američke kompanije Second Sight originalna inačica Argus I sa 16 elektroda se pokazala vrlo dobrom budući da su se doživljaji ispitanika razlikovali sukladno uzrocima stimulacije. višetjedni period učenja - ispitanici su bili sposobni odrediti smjer kretnje objekata Argus I se dokazao vrlo pouzdanim na nekoliko ispitanika tijekom 5 godina

poboljšana inačica Argus II ima, između ostaloga, 60 elektroda i napredniju obradbu slika temeljem koje se definira i električna stimulacija. omogućava korisnicima sustava još kvalitetnije određivanje udaljenosti i veličine objekata te prostornu mobilnost između istih ~1000 elektroda bi predvidivo trebalo omogućiti korisnicima i prepoznavanje lica

prednost ugradnje na ispred (unutrašnju stranu) mrežnice u odnosu na ugradnju iza mrežnice očituje se kroz jednostavniji kirurški zahvat cijeli implantat izvan mrežnice bitno pridonosi smanjenju zagrijavanje mrežnice ne zahtjeva se funkcionalnost ostalih stanica mrežnice, poput bipolarnih ili amakrinih stanica nedostatak: zaobilazi se vrlo složen mehanizam raznih vrsta stanica mrežnice koji omogućava pravilno procesiranje

ugradnja iza : između bipolarnih i fotoreceptorskih stanica preostale stanice retine do ganglijskih stanica se mogu iskoristiti za prirodno procesiranje signala povećana vjerojatnost da se usađeni implantat odvoji: oštećenje okolnog tkiva umetanjem implantata, de facto u retinu, narušava se prirodna opskrba oka krvlju i ostalim hranjivim tvarima u teoriji kamera nije potrebna: iskoristiti samu optiku oka za projekciju svjetla na implantat koji na sebi ima solarne ćelije

kamera se čini najmanje zahtjevan dio: kamere različitih veličina, oblika, osjetljivosti, rezolucije, dinamike, dubine međusobna udaljenost elektroda vs. fosfene povezivanje neuronske strukture sa pojedinim dijelovima vidnog polja

utjecaj neuroplastičnosti mozga: use it or loos it (be)žićna komunikacija dijelova sustava nove pametne funkcije samog implantata hermetički zaštićena elektronika i ispravan rad do kraja života korisnika

zahtjevi na veličinu i broj elektroda nanotehnologije procesiranje signala (slike kamere), potrošnja uređaja razumijevanje prijenosa informacije živčanim stanicama te njihovo (de)kodiranje pitanje etike (svjetonazora) multidisciplinarnost: komunikacijsko sučelje sa drugim organizmima biljaka i bakterija biljka koja pod utjecajem svijetla generira električni napon

[1] http://en.wikipedia.org/wiki/macular_degeneration [2] http://bs.wikipedia.org/wiki/retinitis_pigmentosa [3] http://hr.wikipedia.org/wiki/oko [4] http://hr.wikipedia.org/wiki/neuron [5] W.H. Dobelle. Artificial vision for the blind by connecting a television camera to the visual cortex. ASAIO J 2000; 46:3-9 [6] E.M. Maynard, C.T. Nordhausen, R.A. Normann. The Utah intracortical electrode array: a recording structure for potential brain-computer interfaces. electroencephalography and Clinical Neurophysiology (1997) 102:228-39. [7] C. Veraart, M.C. Wanet-Defalque, B. Gérard, A. Vanlierde, J. Delbeke. Pattern Recognition with the Optic Nerve Visual Prosthesis. Artificial Organs 27(11):996 1004 [8] J.D. Weiland, W. Liu, M.S. Humayun. Retinal prosthesis. Annu Rev Biomed Eng 2004