Неуронски инжењеринг (такође познат као неуроинжењеринг) је дисциплина у биомедицинском инжењерингу која користи инжењерске технике да разуме, поправи, замени, побољша, или на други начин искористи особине нервних система. Неуроинжењери су јединствено квалификовани да реше проблеме дизајна на интерфејсу живота нервног ткива и неживих конструкција.

Преглед Област неуроинжењеринга ослања се на поље рачунарске неуронауке, експерименталне неурологије, клиничке неурологије, електротехнике и обраду сигнала живљења нервног ткива, а обухвата елементе из роботике, кибернетике, рачунарског инжењеринга, инжењеринга нервног ткива, науке о материјалима, и нанотехнологије.

Истакнути циљеви у области укључују обнову и повећање људске функције преко директне интеракције између нервног система и вештачких уређаја.

Многа тренутна истраживања су фокусирана на разумевање кодирања и обраду података у сензорним и моторним системима, квантификовање како се обрада мења у патолошко стање и како се може манипулисати кроз интеракцију са вештачким уређајима, укључујући мозак-компјутерских интерфејса и неуропростхетицс.

Друга истраживања се више фокусирају на истрагу експериментисања, укључујући и употребу нервних импланта у вези са спољном технологијом.

Неурохидродинамика је област неуронског инжењеринга који се фокусира на хидродинамику нервног система.

Историја Пошто је неуронски инжењеринг релативно нова област, стручне информације и истраживања су релативно ограничени, мада се то брзо мења. Први часописи специфично посвећени неуронском инжењерингу, The Journal of Neural Engineering и The Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation су се појавили 2004. године на Међународној конференцији о неуронском инжењерингу у организацији ИЕЕЕ од 2003. године, од 29. априла до 2. маја 2009. године у Анталији, Турска 4. Конференција о неуроинжењерингу, 5. Међународна конференција о ЕМБС, ИЕЕЕ неуроинжењеринг у априлу / мају 2011. године у Канкуну, Мексико, и 6. конференција у Сан Дијегу, Калифорнија у новембру 2013. године. 7. Конференција је одржана у априлу 2015. године у Монпељеу.

Основе Основе неуронског инжењеринга укључују однос неурона, неуронске мреже и функционисање нервног система за квантитативно одређене моделе да помогну развоју уређаја који могу да тумаче и контролишу сигнале и производе смислене одговоре.

Неуронаука Поруке које тело користи да утиче на мисли, чула, покрете и опстанак су у режији нервних импулса који се преносе преко можданог ткива и на остатак тела. Неурони су основна функционална јединица нервног система и они су високоспецијализоване ћелије које су способне на упућивање ових сигнала који имају функције високог и ниског нивоа потребног за опстанак и квалитет живота. Неурони имају посебне електро-хемијске особине које им омогућавају да обраде информације и онда преносе те информације другим ћелијама. Неуронске активности зависе од потенцијала нервне мембране и промена које се дешавају унутар и преко ње. Стални напон, познат као потенцијал мембране, обично одржава одређене концентрације одређених јона широм неуронске мембране. Поремећаји или варијације у овом напону стварају неравнотежу, или поларизацију, преко мембране. Деполаризована мембрана свој праговни потенцијал генерише акционим потенцијалом, који је главни извор преноса сигнала, познат као неуротрансмисију нервног система. Резултат акционог потенцијала у каскади флукса јона и преко једне аксоналне мембране је стварање ефикасног напона "електричним сигналом" који се може преносити даље електричном променом у друге ћелије. Сигнали могу бити генерисани од стране електричног, хемијског, магнетног, оптичког и других облика стимуланса који утичу на ток пуњења, и на тај начин напонски нивои прелазе неуронске мембране (-{He}- 2005).

Инжењерство Инжењери примењују квантитативне алате који се могу користити за разумевање и интеракцију са комплексним нервним системима. Методе учења и стварања хемијских, електричних, магнетних, и оптичких сигнала који су одговорни за потенцијал ванћелијских поља и синаптичке трансмисије у нервним истраживачима помоћу ткива у модулацији неуронске активности система (-{Babb et al.}- 2008). Да би разумели својства неуронске активности система, инжењери користе технике обраде сигнала и рачунарско моделирање (-{Eliasmith & Anderson 2003}-). За обраду ових сигнала, неуронски инжењери морају да преведу напон преко нервних мембрана у одговарајућу шифру, процес познат као неурокодирање. Неурокодирање користи студије о томе како мозак кодира једноставне команде у облику централних патерн генератора (ЦПГ), кретања вектора, церебеларног унутрашњег модела, и соматотопичке мапе да схвате кретање и сензорне појава. Декодирање ових сигнала у области неуронаука је процес којим неурони разумеју напоне који се преносе на њих. Трансформације укључују механизме који сигнале одређене форме тумаче и онда преведеду у други облик. Инжењери гледају математички модел ових трансформација (Eliasmith & Anderson 2003). Постоји низ метода који се користи за регистровање тих напонских сигнала. Они могу бити унутарћелијски или ванћелијски. Ванћелијске методе укључују јединичне снимке на терену ванћелијског потенцијала и амперометра; однедавно, мултиелектродни низови се користе за снимање и мимику сигнала.

Обим

Неуромеханика Неуромеханика ​​је спајање неуробиологије, биомеханике, сензације и перцепције, и роботике (-{Edvards}- 2010). Истраживачи користе напредне технике и моделе за проучавање механичких својстава нервних ткива и њихове ефекте на способност ткива "да издрже и генеришу снагу и покрете, као и њихову рањивост на трауматично учитавање (-{Laplaca & Prado}- 2010). Ова област истраживања се фокусира на превођење трансформације информација међу неуромишићним и скелетним системима за развој функција и регулисање правила која се односе на рад и организацију ових система (-{Nishikawa}- 2007). Неуромеханику ​​могу симулирати повезивањем рачунарских модела неуронских кола на моделима тела животиња које се налазе у виртуелним физичким световима (-{Edvards}- 2010). Експериментална анализа биомеханике укључујући кинематику и динамику кретања, процесе и обрасце мотора и чулне повратне информације током процеса кретања и кола и синаптичке организације мозга одговорног за контролу мотора се све тренутно истражује да би се разумела комплексност кретања животиња. Лабораторија Dr. Michelle LaPlaca у Џорџијском институту за технологију учествује у студији механичке деонице култура ћелија, смицања деформације планарних култура ћелија, и смицање деформације 3D ћелија које садрже матрице. Разумевање ових процеса је праћено развојем функционисања модела који могу да карактеришу ове системе под затвореним условима петље са посебно дефинисаним параметрима. Студија неуромеханике ​​има за циљ побољшање третмана за физиолошке здравствене проблеме који укључују оптимизацију дизајна протеза, обнове кретање после повреде, и пројектовање и управљање мобилних робота. Проучавајући структуре у 3D хидрогеловима, истраживачи могу идентификовати механичка својства нових модела нервних ћелија. На пример, -{LaPlaca}- је развио нови модел који показује да напрезање може играти улогу у ћелијској култури (-{LaPlaca}- 2005.)

Неуромодулација Неуромодулација има за циљ да лечи болести или повреде употребом медицинских технолошких уређаја који би унапредили или потискивали активност нервног система са испоруком фармацеутских средстава, електричних сигнала, или других облика енергије који подстичу да се поново успостави равнотежа у умањеним регионима мозга. Истраживачи у овој области суочавају се са изазовом повезивања напретка у разумевању нервних сигнала достигнућа у технологијама испоруке и анализе ових сигнале са повећаном осетљивошћу, биокомпатибилности и одрживости у затвореним петљама у мозгу. (-{Potter}- 2012). Неуромодулациони уређаји могу исправити дисфункцију нервног система везану за Паркинсонову болест, дистонију, тремор, хроничан бол, депресију, и на крају епилепсија (-{Potter}- 2012). Неуромодулација апелује као третман за различите недостатке јер се фокусира на лечење на веома специфичним регионима мозга само у контрасту са системским третманима који могу да имају нежељене ефекте на телу. Неуромодулаторни стимулатори као што су микроелектрода низова могу стимулисати и функције мозга и запис даљег побољшања и имају за циљ да постане подесиви и одговарајући уређаји испоруке за лекове и друге стимулансе (2012а).

Поновни нервни раст и обнављање Неуроинжењеринг и рехабилитација односи се на неуронауку и инжењеринг за истраживање периферног и централног нервног система и функцију за проналажење решења за клиничке проблеме насталих оштећења мозга или дисфункције. Инжењеринг примењен на неуродегенерације фокусира се на инжењеринг уређаја и материјала који олакшавају раст неурона за специфичне апликације као што су регенерација повређених периферних нерава, регенерација кичмене мождине ткива приликомповреде кичмене мождине и регенерација ткива мрежњаче. Генетски инжењеринг и инжењеринг ткива су области у развоју за кичмену мождину преко чега помажу при решавању неуролошких проблема (-{Potter 2012, Schmidt & Leach 2003}-).

Истраживање и апликације Истраживање је фокусирано на нервном инжењерингу који користи уређаје за проучавање како функционише нервни систем (-{Schmidt & Leach 2003}-).

Неуронска слика Технике Неуроимагинације се користе да истраже активности неуронске мреже, као и структуру и функцију мозга. Неуроимагинацијске технологије укључују функционалну магнетну резонанцу (фМРИ), магнетну резонанцу (МРИ), емисиону позитронску томографију (ПЕТ) и израчунавање осног томографског скенирања (ЦАТ). Функционалне неуроимагинацијске студије постављају питање који делови мозга обављају одређене задатке. фМРИ мери хемодинамску активност која је тесно повезана са неуронском активношћу. Она истражује мозак преко скенера за одређене таласне дужине да се види који део мозга се активира када ради различите задатке, приликом израде одрећених задатака, види се који део мозга светли. ПЕТ, ЦТ скенери и електроенцефалографија (ЕЕГ) су тренутно побољшани и користе се за сличне сврхе (Potter 2012).

Неуронске мреже Научници могу да користе експериментална запажања неуронских система и теоријских и рачунарских модела ових система да створе неуронске мреже са надама моделирања нервних система као на реалистичан могућ начин. Неуронске мреже се могу користити за анализу за помоћ дизајнирања даљих неуро технолошких уређаја. Наиме, истраживачи рукују аналитичким или коначним елементима моделирања како би се утврдиле контроле кретања нервног система и примене ове технике да помогну пацијентима са повредама мозга или поремећаја. Вештачке неуронске мреже могу бити изграђен од теоријских и рачунарских модела и спроводе се на рачунарима са теоретским једначинама уређаја или експерименталним резултатима посматрања понашања неуронских система. Модели могу представљати концентрације јона динамике, канал кинетике, синаптичке трансмисије, један неурон рачунања, метаболизам кисеоника, или применом динамичке теорије система (LaPlaca 2005). Шаблон заснован на течности користио је инжењерима 3Д неуронске мреже од неурона носилаца микроносача ниски.Chen, P., Luo, Z., Güven, S., Tasoglu, S., Ganesan, A. V., Weng, A. and Demirci, U. (2014), Microscale Assembly Directed by Liquid-Based Template.

Неуронски интерфејси