DE102019202666B4 - Neuronales Kommunikationssystem - Google Patents

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Abstract

System (300,140) zum Stimulieren von sensorischen Neuronen im Kortex (100, 110, 112) eines Individuums, umfassend:a. ein Mittel zum Speichern (330), auf dem Beziehungen (332) zwischen sensorischen Perzepten des Individuums und entsprechenden neuronalen Stimulationssignalen (500, 600, 700) gespeichert sind, die direkt auf mindestens ein afferentes Axon (120) des Zentralnervensystems anzuwenden sind, das auf die sensorischen Neuronen im Kortex (100, 110, 112) des Individuums ausgerichtet ist; undb. ein Mittel zum Auswählen und Übertragen (320, 340, 350), das mindestens eines der neuronalen Stimulationssignale (500, 600, 700) auswählt und an mindestens ein neuronales Stimulationsmittel (130) des Individuums überträgt, wobei das mindestens eine neuronale Stimulationsmittel eingerichtet ist, eine Folge von Aktionspotentialen in dem mindestens einen afferenten Axon des Zentralnervensystems zu induzieren, die dem mindestens einen ausgewählten neuronalen Stimulationssignal entspricht;c. wobei die gespeicherten Beziehungen (332) zwischen den sensorischen Perzepten und den entsprechenden neuronalen Stimulationssignalen (500, 600, 700) zumindest teilweise auf kortikalen Anregungsdaten für das Individuum basieren und / oder auf sensorischen Wahrnehmungsdaten für das Individuum und / oder auf Verhaltensdaten, die zumindest teilweise auf subjektiven Erfahrungen das Individuum basieren;d. wobei das mindestens eine neuronale Stimulationssignal (500, 600, 700) dazu eingerichtet ist, die Folge von Aktionspotentialen in dem mindestens einen afferenten Axon (120) des Zentralnervensystems hervorzurufen und dadurch ein bewusstes oder ein unbewusstes sensorisches Perzept im Kortex (100,110,112) des Individuums hervorzurufen.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Signal- und Datenverarbeitungssysteme zur Bereitstellung neuronaler Stimulationssignale, die für die direkte neuronale Kommunikation mit einem Individuum verwendet werden können.
  • Technischer Hintergrund
  • Die Kommunikation mit einem menschlichen Individuum beruht üblicherweise darauf, den Sinnesorganen des Individuums Sinnesreize zu geben, z.B. als Folge von Bildern, visuellen Symbolen, Klängen und / oder somatosensorischen Reizen. Beispiele für eine solche Informationen tragende Abfolge von Sinnesreizen sind: gesprochene Sprache, Schrift, Morsecode, Blindenschrift, Gebärdensprache usw., wobei beispielsweise der Informationsgehalt der gesprochenen Sprache und von Morsecode dem Individuum über auditorische Reize mitgeteilt wird, der Informationsgehalt der Blindenschrift über somatosensorische Reize und der Informationsgehalt der Schrift und Gebärdensprache über visuelle Reize.
  • Um die kommunizierten Informationen zu extrahieren, wandeln die Sinnesorgane (z.B. die inneren Haarzellen der Cochlea oder die Stabzellen der Netzhaut) die Eingangsenergie eines jeweiligen Sinnesreizes in neuronale Anregungssignale (d.h. in eine Abfolge von Aktionspotentialen) um. Diese neuronalen Anregungssignale werden dann über afferente sensorische Nervenfasern an das Gehirn übertragen und schließlich vom Kortex verarbeitet. Die daraus resultierende mentale Rekonstruktion eines bestimmten Sinnesreizes in der Großhirnrinde (d.h. das hervorgerufene kortikale Anregungsmuster) wird als das sensorische Perzept bezeichnet, das mit einem bestimmten Sinnesreiz verbunden ist. Solche Perzepte können entweder bewusst oder unbewusst sein. So nimmt beispielsweise ein Mensch, der Braille mit den Fingerspitzen lesen kann, nicht mehr bewusst das genaue Punktmuster jedes Braille-Symbols eines Braille-Textes wahr, sondern erhält direkt ein bewusstes Verständnis des Informationsgehaltes, der über die Abfolge der den Text bildenden Braille-Symbole vermittelt wird.
  • Wichtig ist, dass die kommunizierten Informationen in vielen Fällen über das reine sensorische Perzept hinausgehen. Als Beispiel sei der Morsecode betrachtet. Jede Morsecodenachricht ruft eine bestimmte Abfolge von sensorischen Perzepten im auditorischen Kortex hervor, d.h. eine Abfolge von wahrgenommenen Tönen mit einer bestimmten Dauer (z.B. lang oder kurz) und einer bestimmten Tonhöhe (z.B. 500 Hz).
  • Der Kortex eines Individuums kann jedoch auch komplexe konzeptionelle Informationen aus einer solchen Sequenz von sensorischen Perzepte des Kortex extrahieren, z.B. eine Anfrage auf Rettung der Besatzung eines untergehenden Schiffes, die in einer bestimmten Sequenz von neun aufeinanderfolgenden Tönen im Morsealphabet kodiert ist. Im weiteren Text dieser Anmeldung ist der Begriff „konzeptionelle Information“ daher breit zu verstehen, in dem Sinne, dass er alle Informationsinhalte umfasst, die durch den Kortex extrahiert werden können und über das Extrahieren eines bloßen sensorischen Perzepts hinausgehen. Darüber hinaus erhält der Kortex in vielen Fällen die Fähigkeit, komplexe konzeptionelle Informationen aus einer bestimmten Sequenz von sensorischen Perzepte durch Lernen zu extrahieren. So muss beispielsweise ein Funker zunächst die Semantik des Morsecodes erlernen, um ein SOS-Signal zu verstehen.
  • Bestimmte Krankheiten und / oder Verletzungen der Sinnesorgane (z.B. Taubheit, Blindheit, etc.) können die Kommunikationsfähigkeit eines Individuums beeinträchtigen. Für einige dieser Erkrankungen sind nach dem Stand der Technik sensorische Stimulationsgeräte wie Cochlea- oder Retina-Implantate bekannt. Darüber hinaus haben die jüngsten Fortschritte in der Daten- und Signalverarbeitung sowie in der sensorischen Stimulationstechnologie zu Geräten geführt, die visuelle Perzepte über Stimulieren somatosensorische Zellen in der menschlichen Zuge hervorrufen (siehe z.B. US 2006/0241718 A1 und US 2015 / 0290453 A1 ). Grundsätzlich können solche Geräte auch zur Kommunikation eingesetzt werden, z.B. zum Lesen von Schriftzeichen oder zum Verstehen allgemeiner visueller Symbole.
  • Darüber hinaus zielt eine umfangreiche wissenschaftliche Forschung auf die Entwicklung so genannter Computer Brain Interfaces (CBIs) ab, die es ermöglichen, bestimmte sensorische Perzepte direkt im Kortex eines Individuums hervorzurufen, ohne die Sinnesorgane und / oder das periphere Nervensystem zu stimulieren. So beschreibt beispielsweise die aktuelle Publikation „Dynamic Electrical Stimulation of Sites in Visual Cortex Produces Form Vision in Sighted and Blind Humans“; M.S. Beauchamp et. al.; DOI. 10.1101/462697, wie eine subdurale Elektrodenanordnung verwendet werden kann, um visuelle Perzepte direkt im den visuellen Kortex eines Individuums hervorzurufen, die eine sofortige Erkennung einer Vielzahl von Buchstabenformen ohne Training und mit hohe Genauigkeit ermöglicht. Ähnliche Methoden und Stimulationsparadigmen werden in „Engineering Artificial Somatosensation Through Cortical Stimulation in Humans“; B. Lee et. al.; Frontiers in Systems Neuroscience, 12; 2018 beschrieben; dabei geht es darum, somatosensorische Perzepte durch kortikale Stimulation mit einem subduralen Mini-Elektrokortikographie-Gitter hervorzurufen. Einen allgemeinen Überblick über die Trends in der neuronalen Stimulation und Messtechnik gibt der Artikel „Mind Reading and Writing: The Future of Neurotechnology‟; P.R. Roelfsema et al.; Trends in Cognitive Sciences; 5; 2018.
  • Eine verwandte Forschungsrichtung wird in „Sensory percepts induced by microwire array and DBS microstimulation in human sensory thalamus ‟; B.D. Swan et. al.; Brain Stimulation; 11; 2018 diskutiert. Insbesondere konnten die Autoren zeigen, dass es möglich ist, mit Elektroden der Tiefenhirnstimulation (DBS) somatosensorische Perzepte der Hand oder des Arms durch Elektrostimulation des sensorischen Thalamus beim Menschen hervorzurufen.
  • Weiterhin bezieht sich die Publikation „Optimized programming algorithm for cylindrical and directional deep brain Stimulation electrodes‟; D.N. Anderson et. al.; Journal of Neural Engineering; 15; 2018; auf die Verwendung von Magnetresonanztomographie (MRI) und Diffusion Tensor Imaging (DTI) zum Aufbau eines Finite-Elemente-Methode (FEM)-Modells einer DBS-Elektrode und des die DBS-Elektrode umgebenden Hirngewebes zur Behandlung von Bewegungs- und psychiatrischen Störungen (z.B. Morbus Parkinson). Mit dem resultierenden FEM-Modell können dann optimierte Stimulationsparameter zur Stimulation efferenter Kortiko-Motor-Axone über die DBS-Elektrode gefunden werden.
  • Weiterhin bezieht sich WO 2016/116397 A1 auf ein medizinisches Datenverarbeitungsverfahren zum Bestimmen einer Ausrichtung von Nervenfasern in Bezug auf ein nicht physiologisches elektrisches Feld, das von einer Stimulationselektrode basierend auf medizinischen Bilddaten von Nervengewebe, das Nervenfasern der weißen Substanz umfasst, erzeugt wird. Weitere relevanter Stand der Technik wird von KR 10 184 1625 B1 und EP 3 431138 A1 bereitgestellt.
  • US 2018/0050198A1 betrifft ein Cochleaimplantatsystem umfassend eine Cochleaelektrode, einen Stimulator in elektrischer Kommunikation mit der Elektrode und einen Signalprozessor in Kommunikation mit dem Stimulator. Der Signalprozessor kann ein Eingangssignal von einer Eingangsquelle empfangen und auf der Grundlage des empfangenen Eingangssignals und einer Übertragungsfunktion des Signalprozessors ein Stimulationssignal an den Stimulator ausgeben.
  • WO 2018/109715 A1 betrifft ein Gehirn-Computer-Schnittstellensystem zur Modulation der kognitiven Leistung. Das System umfasst einen oder mehrere Elektrodensätze zum Erfassen von Signalen, die mit neuronaler elektrischer Aktivität in einer oder mehreren kortikalen Regionen des Benutzers assoziiert sind, und zum Bereitstellen von Stimulationssignalen für eine oder mehrere Zielhirnregionen, mindestens einen Prozessor, der mit dem einen oder den mehreren Elektrodensätzen kommuniziert, und mindestens eine Stromquelle. Der Prozessor ist dabei so programmiert, dass er Signale verarbeitet, die in den kortikalen Regionen erfasst werden, um eine Anzeige zu detektieren, die mit einer Absicht zur Durchführung einer kognitiven Aufgabe und/oder der Präsentation einer kognitiven Aufgabe und/oder der Durchführung einer kognitiven Aufgabe verbunden ist, und um die Stimulation der Zielhirnregionen in Reaktion auf die Detektion der Anzeige zu steuern, um die kognitive Leistung des Benutzers zu modulieren. Die Zielhirnregionen können kortikale Regionen, Tiefenhirnstrukturen und Kombinationen davon umfassen.
  • Die aus dem Stand der Technik bekannten neuronalen Stimulationsparadigmen und - systeme weisen jedoch unterschiedliche Mängel auf. Erstens können CBIs, die eine direkte kortikale Stimulation, z.B. über ein subdurales Mikroelektroden-Array, einsetzen, nur die äußeren Schichten des Kortex stimulieren und vernachlässigen oder respektieren zumindest nicht vollständig die hierarchische Organisation der kortikalen Verarbeitung. Dies führt in vielen Fällen zu unphysiologischen Stimulations- und / oder Anregungsmustern, die die Qualität der hervorgerufenen sensorischen Perzepte beeinträchtigen können. Mit anderen Worten, die Neuronen in der äußeren Schicht des Kortex sind so angepasst, dass sie neuronale Signale empfangen, die von verschiedenen unteren kortikalen Schichten und / oder tieferen Hirnregionen vorverarbeitet wurden, und sind daher im Allgemeinen nicht so angepasst, dass sie elektrische Stimulationssignale direkt empfangen und verarbeiten, die von einer subduralen Elektrodenanordnung bereitgestellt werden.
  • Darüber hinaus ist die räumliche Auflösung aktueller Mikroelektroden-Arrays noch viel zu grob, um physiologisch korrekte sensorische Perzepte hervorrufen zu können. Darüber hinaus ist es im Stand der Technik bekannt, dass die Neuronen- und gefäßreiche Umgebung des Kortex leicht zu Narbenbildung und / oder Gliose führen kann, was zu einer verminderten Leistungsfähigkeit des Mikroelektrodenarrays im Laufe der Zeit führt.
  • Darüber hinaus werden mikro-gefertigte Implantate mit Schnittstellenfähigkeiten von Einzelgeräten / Einzelneuronen oder elektrokortikalen Gittern in der Regel zwischen Gehirn und Schädel verankert. Da sich das Gehirn bei jedem Puls des Herzens innerhalb der Schädelhöhle oder bei Beschleunigungskräften, z.B. bei körperlicher Aktivität, bewegt, kann sich die relative Position der Oberflächenimplantate im Laufe der Zeit verschieben - was zu einer weiteren Verschlechterung des CBIs führt.
  • Bei der Stimulation sensorischer Perzepte über die DBS des Thalamus fehlt denen im Stand der Technik beschriebenen Verfahren und Systemen vollkommen eine ausreichende räumliche und / oder sensorische Auflösung und diese kann daher keineswegs für eine robuste und reproduzierbare Stimulation gewünschten sensorischen Perzepte verwendet werden. Darüber hinaus zielen diese nur darauf ab, das natürliche Empfinden im menschlichen somatosensorischen System zu reproduzieren, z.B. für die Anwendung als neuronale Prothese für Amputierte.
  • Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, neuartige neuronale Stimulationssysteme bereitzustellen, die die bekannten Systeme so verbessern, dass die oben beschriebenen Nachteile des Standes der Technik zumindest teilweise überwunden werden.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die oben genannte Aufgabe wird zumindest teilweise durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche der vorliegenden Anmeldung gelöst. Exemplarische Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • In einer nicht beanspruchten Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung ein System zum Bereitstellen neuronaler Stimulationssignale bereit, die konfiguriert sind, um ein sensorisches Perzept im Kortex eines Individuums hervorzurufen, umfassend: Mittel zum Erhalten räumlicher Informationen bezüglich der tatsächlichen oder geplanten Position mindestens eines neuronalen Stimulationsmittels in Bezug auf mindestens ein afferentes Axon, das mindestens ein sensorisches Neuron im Kortex des Individuums anspricht, und Mittel zum Bestimmen mindestens eines neuronalen Stimulationssignals, das über das mindestens eine neuronale Stimulationsmittel an mindestens ein afferentes Axon angelegt werden soll, basierend mindestens teilweise auf den erhaltenen räumlichen Informationen.
  • Solche Systeme sind beispielsweise in der Lage, spezifische neuronale Stimulationssignale zu bestimmen, die auf die Stimulation einer gewünschten Subpopulation von sensorischen Neuronen im Kortex zugeschnitten sind. So können beispielsweise einige neuronale Stimulationssignale so gestaltet sein, dass sie somatosensorische Perzepte der linken Hand des Individuums hervorrufen, während andere Stimulationssignale so konfiguriert sind, dass sie ein Berührungsgefühl der Zunge hervorrufen. Unter Verwendung der erhaltenen räumlichen Informationen der Elektrodenposition in Bezug auf afferente Axone, die auf den sensorischen Kortex gerichtet sind, kann das System eine Übereinstimmung zwischen der tatsächlichen Form des neuronalen Stimulationssignals und einer Zielregion und/oder einer Zielwahrnehmung im sensorischen Kortex herstellen. So kann beispielsweise ein solches neuronales Stimulationssignal eine Folge von Stromimpulsen umfassen, die durch eine Impulsbreite, eine Impulsfrequenz, eine Pulsamplitude und / oder eine Impulsform gekennzeichnet sind.
  • Auf diese Weise ermöglicht das bereitgestellte System das direkte Auslösen bestimmter sensorischer Perzepte im Kortex eines Individuums ohne Stimulation der Sinnesorgane und / oder des peripheren Nervensystems.
  • Weiterhin können solche neuronalen Stimulationssignale konfiguriert werden, um eine Folge von Aktionspotentialen in dem mindestens einen afferenten Axon hervorzurufen, das auf die sensorischen Neuronen im Kortex des Individuums gerichtet ist. Darüber hinaus kann das mindestens eine Axon ein thalamokortikales Axon sein, d.h. ein Axon, das sensorische Informationen vom Thalamus an den sensorischen Kortex eines Individuums überträgt.
  • Durch die Bereitstellung neuronaler Stimulationssignale, die konfiguriert sind, um Aktionspotenziale in Axonen hervorzurufen, die auf den sensorischen Kortex abzielen, kann sichergestellt werden, dass die Stimulation für ein bestimmtes sensorisches Perzept über den physiologisch korrekten Signalweg in den Kortex gelangt, z.B. über Aktionspotenziale eines thalamokortikalen Axons. Auf diese Weise kann die korrekte kortikale Verarbeitung der neuronalen Stimulationssignale sichergestellt und die Qualität der erzeugten sensorischen Perzepte verbessert werden.
  • Weiterhin kann das Mittel zum Erhalten der räumlichen Informationen Mittel zum Erhalten von Traktographieinformationen und/oder neuronalen Konnektivitätsinformationen für das mindestens eine afferente Axon umfassen, vorzugsweise umfassend Magnetresonanztomographiedaten, Diffusion Tensor Imaging Daten und / oder anatomische Referenzdaten.
  • Durch die Verwendung solcher Traktographieinformationen und / oder neuronaler Konnektivitätsinformationen (z.B. Informationen über synaptische Verbindungen zwischen Axonen und sensorischen Neuronen) für die Axone, die auf den sensorischen Kortex des Individuums gerichtet sind, kann die tatsächliche Form der neuronalen Stimulationssignale noch weiter angepasst werden, um ein gewünschtes sensorisches Perzept in einem gewünschten Bereich des sensorischen Kortex zu erzeugen. Insbesondere können DTI-Daten auch individuelle neuroanatomische Variationen und/oder neuronale Plastizität zur Bestimmung der gewünschten neuronalen Stimulationssignale für eine bestimmtes anvisiertes Perzept und / oder anvisierten Bereich des sensorischen Kortex berücksichtigen.
  • Weiterhin kann das Mittel zum Erhalten der räumlichen Informationen Mittel zum Erhalten von Neurobildgebungsdaten eines Gehirngewebes umfassen, das mindestens einen Teil der tatsächlichen oder geplanten Position der mindestens einen neuronalen Stimulationsmittel umgibt, vorzugsweise umfassend Computertomographiedaten und / oder Magnetresonanzbilddaten.
  • Auf diese Weise kann das System auch die physikalischen und insbesondere elektrischen Eigenschaften des Hirngewebes um die neuronalen Stimulationsmittel berücksichtigen. So können beispielsweise die Neurobilddaten verwendet werden, um die elektrische Leitfähigkeit des umgebenden Hirngewebes zu bestimmen. Auf diese Weise können die Spezifität und Genauigkeit des bestimmten neuronalen Stimulationssignals für bestimmte afferente Axone und / oder sensorische Neuronen weiter verbessert werden.
  • Weiterhin kann das Mittel zum Bestimmen des neuronalen Stimulationssignals Mittel zum Bestimmen einer Anregungswahrscheinlichkeit des mindestens einen afferenten Axons und / oder des mindestens einen sensorischen Neurons basierend zumindest teilweise auf den erhaltenen räumlichen Informationen umfassen, vorzugsweise unter Verwendung einer Finite-Elemente-Methode und / oder eines neuronalen Kompartmentmodells.
  • Auf diese Weise können aktive elektrische Eigenschaften (z.B. die nichtlineare neuronale Erregbarkeit) des mindestens einen Axons vom System bei der Bestimmung des mindestens einen neuronalen Stimulationssignals mit berücksichtigt werden, wodurch die Spezifität und Genauigkeit des neuronalen Stimulationssignals für ein gewünschtes anvisiertes Axon und/oder eine Zielstimulationsregion im sensorischen Kortex weiter erhöht wird.
  • Das Mittel zum Bestimmen des mindestens einen neuronalen Stimulationssignals kann ferner dazu konfiguriert sein, um das mindestens eine neuronale Stimulationssignal zu bestimmen, zumindest teilweise basierend auf mindestens einem der folgenden: mindestens einer gewünschte Art von sensorischem Perzept, das durch das mindestens eine neuronale Stimulationssignal hervorgerufen werden soll; mindestens einer gewünschten Zielregion des Kortex, die das mindestens eine anvisierte sensorische Neuron aufweist; einem Optimierungsverfahren, das auf der Optimierung der Anzahl der verschiedenen sensorischen Perzepte basiert, die von dem Individuum wahrgenommen werden können, wenn diese durch verschiedene neuronale Stimulationssignale über das mindestens eine neuronale Stimulationsmittel stimuliert werden.
  • Auf diese Weise kann die Informationsmenge, die durch das Hervorrufen sensorischer Perzepte mit einem bestimmten Stimulationsmittel kommuniziert werden kann, erhöht werden. Darüber hinaus können durch die Kopplung an axonalen Strukturen an Punkten tief im Gehirn über dynamisch konfigurierte elektrische Impulse Informationen an die gesamte Bandbreite oberflächlicher kortikaler Verarbeitungszonen übertragen werden, auf die diese Axone projizieren - ohne die gesamte Oberfläche mit invasiven Makro- oder Mikrostimulationsimplantaten abdecken zu müssen.
  • In einer Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung ein System zur Stimulation sensorischer Neuronen im Kortex eines Individuums dar, umfassend: Mittel zum Speichern von Beziehungen zwischen sensorischen Perzepten des Individuums und entsprechenden neuronalen Stimulationssignalen, die auf mindestens ein afferentes Axon anzuwenden sind, das auf die sensorischen Neuronen im Kortex des Individuums ausgerichtet ist; und Mittel zum Auswählen und Übertragen mindestens eines der neuronalen Stimulationssignale auf mindestens ein neuronales Stimulationsmittel des Individuums, wobei die gespeicherten Beziehungen zwischen den sensorischen Perzepten und den entsprechenden neuronalen Stimulationssignalen zumindest teilweise auf kortikalen Anregungsdaten für das Individuum basieren und / oder auf sensorischen Wahrnehmungsdaten für das Individuum und / oder auf Verhaltensdaten, die zumindest teilweise auf subjektiven Erfahrungen das Individuum basieren und wobei das mindestens eine neuronale Stimulationssignal dazu eingerichtet ist, eine Folge von Aktionspotentialen in dem mindestens einen afferenten Axon des Zentralnervensystems hervorzurufen und ein bewusstes oder ein unbewusstes sensorisches Perzept im Kortex des Individuums hervorzurufen.
  • Diese Ausführungsform verbessert die Effizienz und Flexibilität, gewünschte sensorische Perzepte im Kortex eines Individuums hervorzurufen, erheblich. So kann beispielsweise eine Kommunikationsvorrichtung, die mit dem bereitgestellten System verbunden ist, das spezifische neuronale Stimulationssignal, das einem gewünschten sensorischen Perzept entspricht, die im Kortex eines Individuums durch Stimulation von afferenten Axonen, die auf sensorische Neuronen im Kortex des Individuums abzielen, leicht bestimmen und direkt übertragen werden.
  • So basieren beispielsweise in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die gespeicherten Beziehungen zwischen den sensorischen Perzepten und den entsprechenden neuronalen Stimulationssignalen zumindest teilweise auf einem oder mehreren von: räumlichen Informationen für das mindestens eine afferente Axon; räumliche Informationen für die mindestens eine neuronale Stimulationsmittel; neuronalen Konnektivitätsinformationen für das mindestens eine afferente Axon; einer elektrischen Feldverteilung, die mit dem mindestens einen neuronalen Stimulationsmittel assoziiert ist; funktionellen Neurobildgebungsdaten für das Individuum; Diffusion Tensor Imaging Daten für das Individuum; neuroanatomische Referenzdaten, die für das Individuum relevant sind; Wahrnehmungs- und / oder konzeptionelle Lerndaten für das Individuum; oder einem Optimierungsverfahren zum Maximieren der Anzahl von sensorischen Perzepten, die von dem Individuum vorzugsweise gleichzeitig wahrgenommen werden können, wenn das entsprechende neuronale Stimulationssignal an das mindestens einen neuronalen Stimulationsmittel des Individuum übertragen wird.
  • In einigen Ausführungsformen kann das bereitgestellte System ferner mindestens ein neuronales Stimulationsmittel umfassen, das dazu eingerichtet ist, eine Folge von Aktionspotentialen in dem mindestens einen afferenten Axon zu induzieren, die dem mindestens einen neuronalen Stimulationssignal entsprechen.
  • Durch die Integration des neuronalen Stimulationsmittels in das bereitgestellte System kann die Gesamteffizienz des Systems erhöht und die Systemkomplexität reduziert werden, z.B. durch die Verwendung anwendungsspezifischer drahtgebundener oder drahtloser Schnittstellen für das mindestens eine neuronale Stimulationsmittel.
  • Um die Vielseitigkeit und den Grad der Systemintegration weiter zu verbessern, kann das Mittel zum Übertragen des mindestens einen neuronalen Stimulationssignals in einigen Ausführungsformen mindestens eines von folgenden umfassen: einen digitalen Signalprozessor; einen Digital-Analog-Wandler; einen Radiofrequenzsender; einen Radiofrequenzempfänger; einen analogen und/oder digitalen Signalverstärker; einer Radiofrequenz-Mischerschaltung; eine Tiefpass-, Hochpass- und/oder Bandpassschaltung; eine drahtlose Kommunikationsschaltung; und eine Impedanzanpassungsschal tung.
  • In einigen Ausführungsformen können die perzeptiven und/oder konzeptionellen Lerndaten, aus denen die Beziehungen zwischen sensorischem Perzept und entsprechendem neuronalen Stimulationssignal erzeugt werden können, zumindest teilweise auf einem oder mehreren der Folgenden basierend: dadurch, dass das Individuum an einer perzeptiven und / oder konzeptionellen Lernprozedur teilnimmt und dadurch, dass das Individuum, während es das mindestens eine neuronale Stimulationssignal empfängt, mit einer nicht-invasiven funktionellen Neurobildgebungsvorrichtung analysiert wird, vorzugsweise einer funktionellen Magnetresonanzbildgebungsvorrichtung oder einer elektrophysiologischen Aufzeichnungsvorrichtung oder mit einer invasiven elektrophysiologischen Aufzeichn ungsvorrichtung.
  • Auf diese Weise kann die Fähigkeit des menschlichen Gehirns, auch feine Variationen sensorischer Perzepte zu unterscheiden, genutzt werden, um die Systemleistung zu verbessern. Je feiner die Auflösung der einzigartigen Wahrnehmungsmuster ist, desto mehr Konzepte oder Botschaften können eindeutig mit den neuronalen Stimulationsmustern assoziiert werden, ähnlich der Beziehung zwischen einem Zeichen und seiner Bedeutung. Je mehr Zeichen wahrgenommen werden können, desto mehr Bedeutung kann vermittelt werden.
  • In einer weiteren Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung ein System zum Übermitteln von konzeptioneller Information an ein Individuum, umfassend: Mittel zum Auswählen mindestens eines neuronalen Stimulationssignals, das auf mindestens ein afferentes Axon angewendet werden soll, das auf mindestens ein sensorisches Neuron im der Kortex des Individuums gerichtet ist; wobei das mindestens eine neuronale Stimulationssignal der zu kommunizierenden konzeptionellen Information entspricht; und Mittel zum Übertragen des mindestens einen neuronalen Stimulationssignals an mindestens ein neuronales Stimulationsmittel des Individuums, wobei das mindestens eine neuronale Stimulationssignal dazu eingerichtet ist, eine Folge von Aktionspotentialen in dem mindestens einen afferenten Axon des Zentralnervensystems hervorzurufen und ein bewusstes oder ein unbewusstes sensorisches Perzept im Kortex des Individuums hervorzurufen, wobei das Mittel zum Auswählen des mindestens einen neuronalen Stimulationssignals ein Mittel zum Zugreifen auf ein Datenspeichermittel umfasst, das für das Individuum spezifische Beziehungen zwischen einer Vielzahl von konzeptuellen Informationen und einer Vielzahl von entsprechenden neuronalen Stimulationssignalen speichert.
  • So können beispielsweise die konzeptionellen Information mindestens eines der folgenden umfassen: einen Buchstaben, eine Zahl, eine Farbe, eine Raumrichtung, ein Wort, einen Satz, ein Objekt, eine Identität eines Individuums oder eines Tieres und/oder eine Anweisung für eine motorische Antwort des Individuums, eine Position, ein Bio- oder Neurofeedback-Signal, eine Form, ein Bild oder ein Symbol, eine Warnung, eine Assoziation, einen Ähnlichkeitsgrad, ein Auffälligkeitssignal, einen Rhythmus, einen Start- oder Stoppbefehle oder -Informationen, Berührungsinformationen, Informationen zur Oberflächentextur, Druckinformationen, Angaben zur elektromagnetischen Feldstärke oder andere Arten von Informationen.
  • Weiterhin kann das Mittel zum Auswählen des mindestens einen neuronalen Stimulationssignals Mittel zum Zugreifen auf ein Datenspeichermittel umfassen, das für das Individuum spezifische Beziehungen zwischen einer Vielzahl von konzeptionellen Informationen und einer Vielzahl von entsprechenden neuronalen Stimulationssignalen speichert.
  • So können beispielsweise die gespeicherten spezifischen Beziehungen zumindest teilweise auf konzeptionellen Lerndaten für das Individuum basieren, wobei die konzeptionellen Lerndaten die Vielzahl der konzeptionellen Informationen mit der Vielzahl der entsprechenden neuronalen Stimulationssignale verbinden.
  • Wenn beispielsweise ein Individuum an einem perzeptiven- und/oder konzeptionellen Lernverfahren teilgenommen hat und gelernt hat, ein bestimmtes somatosensorisches Perzept (z.B. eine Berührungsempfindung auf der linken Handfläche) mit einer konzeptionellen Information (z.B. eine Richtung im Raum) zu identifizieren, kann eine Beziehung zwischen der konzeptionellen Information und dem spezifischen neuronalen Stimulationssignal, das das jeweilige somatosensorische Perzept hervorruft, in einem Datenspeichermittel gespeichert und für nachfolgende Kommunikationssitzungen mit dem Individuum abgerufen werden.
  • So kann beispielsweise das mindestens eine neuronale Stimulationssignal dazu eingerichtet sein, um ein bewusstes oder unbewusstes sensorisches Perzept im Kortex des Individuums hervorzurufen.
  • Abhängig von der tatsächlichen Anwendungs- und / oder Technologieplattform, die zur Stimulation des zumindest eine afferentes Axon, das auf den sensorischen Kortex des Individuums gerichtet ist, verwendet wird, kann das mindestens eine neuronale Stimulationsmittel ein elektrisch-neuronales Schnittstellenmittel, ein opto-neuronales Schnittstellenmittel und / oder ein chemisch-neuronales Schnittstellenmittel umfassen.
  • So kann beispielsweise das elektrisch-neuronale Schnittstellenmittel mindestens eine Stimulationselektrode umfassen mit vorzugsweise einer Vielzahl von unabhängig steuerbaren elektrischen Stimulationskontakten. So kann beispielsweise eine solche Stimulationselektrode eine Multi-Kontakt-DBS-Elektrode sein, die so eingerichtet ist, dass sie auf die Thalamusregion des menschlichen Gehirns gerichtet ist.
  • Bei einer geeigneten Signalquelle ermöglichen solche Mehrkontaktelektroden eine unabhängige Mehrkanalstromsteuerung, die es ermöglicht, komplexe räumliche elektrische Stimulationsmuster um die Stimulationselektrode herum zu erzeugen. Auf diese Weise kann mit einer einzelnen Elektrode eine gewünschte Teilmenge von Axonen in der Nähe der Stimulationselektrode selektiv stimuliert werden. Im Wesentlichen entspricht die Anzahl der verschiedenen Axone oder verschiedenen Axonbündel, die über eine solche Mehrkanalelektrode selektiv stimuliert werden können, verschiedenen neuronalen Kommunikationskanälen, die über diese Elektrode aufgebaut werden können.
  • Um die räumliche Auflösung des erzeugbaren Anregungsmusters weiter zu verbessern, kann das elektrisch-neuronalen Schnittstellenmittel ferner mindestens zwei unabhängig steuerbare Stimulationselektroden umfassen, die jeweils vorzugsweise eine Vielzahl von unabhängig steuerbaren elektrischen Kontakten umfassen.
  • So kann beispielsweise die mindestens eine Stimulationselektrode durch mindestens einen Teil einer Neuromodulationselektrode bereitgestellt werden, die für einen therapeutischen Zweck unabhängig von der Stimulation implantiert wurde. Insbesondere kann der Abschnitt der Neuromodulationselektrode ein Abschnitt sein, der nicht für den therapeutischen Zweck verwendet wird.
  • So ist beispielsweise eine DBS-Elektrode, die als Neuromodulator, z.B. zur Behandlung von Parkinson, eingesetzt wird, in vielen Fällen nicht immer aktiv und / oder kann unabhängig steuerbare Kontakte umfassen, die zur Erreichung des Therapiezwecks nicht erforderlich sind. Somit kann die Neuromodulationselektrode auch zum Anlegen neuronaler Stimulationssignale verwendet werden, die von einem System nach der vorliegenden Erfindung bereitgestellt werden.
  • Im Allgemeinen können die von der vorliegenden Erfindung bereitgestellten Systeme neuronale Stimulationssignale für das mindestens eine afferente Axon bereitstellen, das auf das mindestens eine sensorische Neuron gerichtet ist, das sich in mindestens einem der folgenden Bereiche befinden kann: einem somatosensorischen Kortexbereich, einem auditorischen Kortexbereich, einem visuellen Kortexbereich, einem olfaktorischen Kortexbereich, einem gustatorischen Kortexbereich, einem somatosensorischen Assoziations-Kortexbereich und einem propriozeptionellen Kortexbereich.
  • In einer nicht beanspruchten weiteren Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung ein System zum Bestimmen einer Implantationsposition oder -trajektorie für eine neuronale Stimulationselektrode bereit, umfassend: Mittel zum automatischen Identifizieren einer Vielzahl von afferenten Axonen, die auf sensorische Neuronen in dem einer bestimmten sensorischen Modalität zugeordneten Kortex abzielen; Mittel zum Erhalten von neuroanatomischen Bildgebungs- und/oder Referenzdaten eines Hirngewebevolumens, das die Vielzahl von afferenten Axonen umfasst, und Mittel zum automatischen Bestimmen der Implantationsposition und/oder Implantationstrajektorie für die neuronale Stimulationselektrode, zumindest teilweise basierend auf der identifizierten Vielzahl von afferenten Axonen und den erhaltenen neuroanatomischen Bildgebungs- und/oder Referenzdaten.
  • Insbesondere kann das Mittel zum Erhalten der neuroanatomischen Bilddaten Mittel zum Erhalten von Computertomographie- und / oder MagnetresonanztomographieDaten umfassen.
  • Das bereitgestellte System ermöglicht es beispielsweise, einem Neurochirurgen und / oder einem chirurgischen Roboter Informationen über eine gewünschte Implantationsposition und / oder Implantationstrajektorie für die neuronale Stimulationselektrode zur Verfügung zu stellen, bevor die Implantation der Elektrode durchgeführt wird. Wenn beispielsweise die Elektrode implantiert werden soll, um ein CBI mit dem Individuum zu etablieren, kann die Implantationsposition und / oder Implantationstrajektorie auf ein bestimmtes sensorisches Perzept zugeschnitten werden, das für Kommunikationszwecke verwendet werden soll, z.B. zur Kodierung von konzeptionellen Informationen, die kommuniziert werden sollen.
  • In einigen Ausführungsformen kann das Mittel zum automatischen Bestimmen der Implantationsposition und / oder der Implantationstrajektorie Mittel zum Optimieren einer Stimulationsrate von mindestens einer Teilmenge der sensorischen Neuronen umfassen. Auf diese Weise kann die Kommunikationsbandbreite eines gewünschten sensorischen Kommunikationskanals noch vor der Implantation der Elektrode erhöht werden.
  • Weiterhin kann das Mittel zum automatischen Bestimmen der Implantationsposition und / oder der Implantationstrajektorie konfiguriert sein, um die Implantationsposition und/oder die Implantationstrajektorie zu bestimmen, basierend zumindest teilweise auf Identifizieren von mindestens zwei Arten von sensorischen Perzepten, die von der neuronalen Stimulationselektrode hervorgerufen werden sollen, vorzugsweise gleichzeitig.
  • Auf diese Weise wird der Neurochirurg und/oder der chirurgische Roboter in die Lage versetzt, den Implantationsvorgang so durchzuführen, dass mit der implantierten Elektrode mindestens zwei separate Kommunikationskanäle für das CBI aufgebaut werden können.
  • Im Wesentlichen beinhaltet die vorliegende Erfindung neue Methoden zur optimalen Kalibrierung einer neuronalen Schnittstelle für ein Individuum und baut explizit auf der natürlichen Fähigkeit des Gehirns auf, jedes Informationen tragende Signal von Relevanz für das Verhalten in ein subjektiv interpretierbares Perzept zu dekodieren oder in eine entsprechende Handlung zu übersetzen.
  • Figurenliste
  • Aspekte der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren näher beschrieben. Diese Figuren zeigen:
    • 1 ein Diagramm, das eine neuronale Stimulationselektrode zum Stimulieren von afferenten Axonen veranschaulicht, die auf den sensorischen Kortex eines Individuums gerichtet sind. Die neuronale Stimulationselektrode kann mit einem neuronalen Stimulationssystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verbunden werden;
    • 2 ein Blockdiagramm eines neuronalen Stimulationssignalgenerators zum Ansteuern einer neuronalen Stimulationselektrode, der mit einem neuronalen Stimulationssystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verbunden werden kann;
    • 3 ein Blockdiagramm eines neuronalen Stimulationssystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
    • 4a ein Diagramm, das den Betrieb eines neuronalen Kommunikationssystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
    • 4b ein Arbeitsablaufdiagramm für ein Verfahren zum Aufbau einer neuronalen Kommunikationsschnittstelle mit einem menschlichen Individuum;
    • 5 ein Diagramm, das die Kodierung von konzeptionellen Informationen unter Verwendung eines neuronalen Kommunikationssystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
    • 6 ein Diagramm, das die Kodierung von konzeptionellen Informationen unter Verwendung eines neuronalen Kommunikationssystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
    • 7 ein Diagramm, das die Kodierung von konzeptionellen Informationen unter Verwendung eines neuronalen Kommunikationssystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
    • 8 ein Diagramm, das einen Parameterraum für ein neuronales Stimulationssignal darstellt, das von einem neuronalen Stimulationssystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bereitgestellt wird;
    • 9 ein Diagramm, das eine Auswahl von Signalparametern für ein neuronales Stimulationssignal veranschaulicht, das von einem neuronalen Stimulationssystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bereitgestellt wird;
    • 10 ein Diagramm, das eine konzeptionelle Lernprozedur zum Erlernen von Beziehungen zwischen sensorischen Perzepte und konzeptionellen Informationen veranschaulicht, die von einem neuronalen Stimulationssystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zu kommunizieren sind;
    • 11 ein Blockdiagramm eines Kalibrierungs- und Lernverfahrens zum Herstellen von Beziehungen zwischen dem neuronalen Stimulationssignal und entsprechenden konzeptionellen Informationen, die von einem neuronalen Stimulationssystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zu übermitteln sind;
    • 12 ein Diagramm, das den Betrieb eines neuronalen Stimulationssystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht, die an zwei neuronale Stimulationselektroden, die auf afferente Axone des menschlichen Gehirns gerichtet sind, angeschlossen werden kann.
    • 13 ein Magnetresonanzbild einer therapeutischen Multi-Kontakt-Neuromodulationselektrode, die zur Modulation von efferenten Motoraxonen eingerichtet ist. Nicht verwendete Kontakte der Elektrode können auch zur Stimulation von afferenten Axonen verwendet werden, die über ein neuronales Stimulationssystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auf den sensorischen Kortex eines Individuums gerichtet sind.
  • Detaillierte Beschreibung einiger exemplarischer Ausführungsformen
  • Im Folgenden werden exemplarische Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung näher beschrieben, mit Bezug auf neuronale Stimulations- und / oder Kommunikationssysteme, die mit neuronalen Stimulationselektroden, wie z.B. Deep Brain Stimulation (DBS)-Elektroden verbunden werden können. Die Systeme der vorliegenden Erfindung können aber auch mit verschiedenen neuronalen Stimulationsmitteln (z.B. opto-neuronal) eingesetzt werden, die in der Lage sind, afferente Axone zu stimulieren, die auf den sensorischen Kortex eines Individuums gerichtet sind. Während im Folgenden spezifische Merkmalskombinationen in Bezug auf die exemplarischen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben werden, ist zu verstehen, dass die Offenbarung nicht auf solche Ausführungsformen beschränkt ist. Mit anderen Worten, es müssen nicht alle Merkmale vorhanden sein, um die Erfindung zu realisieren, und die Ausführungsformen können geändert werden, indem bestimmte Merkmale einer Ausführungsform mit einem oder mehreren Merkmalen einer anderen Ausführungsform kombiniert werden. Insbesondere wird der Fachmann verstehen, dass Merkmale, Komponenten und / oder Funktionselemente einer Ausführungsform mit technisch kompatiblen Merkmalen, Komponenten und / oder Funktionselementen einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kombiniert werden können.
  • 1 zeigt ein Diagramm, das eine neuronale Stimulationselektrode 130 zur Stimulation afferenter Axone 120 darstellt, die auf sensorische Neuronen im Kortex 100 eines menschlichen Gehirns gerichtet sind. Die afferenten Axone 120 zielen auf verschiedene Bereiche 110, 112 des Kortex 100, die mit unterschiedlichen sensorischen Modalitäten (z.B. Berührung, Temperatursinn, Sehen, Hören, etc.) und / oder verschiedenen Körperregionen (z.B. Cochlea, Netzhaut, Hand, Zunge, Fuß etc.) zusammenhängen können, von denen die jeweilige sensorische Modalität durch den jeweiligen Bereich des Kortex wahrgenommen wird. So kann beispielsweise der kortikale Bereich 110 ein somatosensorischer Bereich der Zunge und der kortikale Bereich 112 ein somatosensorischer Bereich der linken Hand sein.
  • Die afferenten Axone 120 sind über Synapsen (nicht dargestellt) mit ihren jeweiligen Zielneuronen im jeweiligen sensorischen Gebiet 110, 112 der Kortex 100 verbunden. So können beispielsweise die Axone 120 thalamokortikale Axone sein, die sensorische Informationen vom Thalamus zum Kortex 100 übertragen. Die neuronale Stimulationselektrode 130 umfasst eine Vielzahl von unabhängig steuerbaren elektrischen Kontakten 132, die in der Nähe eines Bündels von afferenten Axonen angeordnet sind, die auf die sensorischen Bereiche 110 und 112 des Kortex 100 ausgerichtet sind. In dem veranschaulichten Beispiel ist die neuronale Stimulationselektrode 130 mit einem neuronalen Stimulationssignalgenerator 140 verbunden, der über die unabhängig steuerbaren elektrischen Kontakte 132 der neuronalen Stimulationselektrode 130 neuronale Stimulationssignale an die afferenten Axone 120 anlegen kann. Darüber hinaus kann die neuronale Stimulationselektrode 130 ferner eine drahtlose Schnittstelle 142 zur Kopplung des Signalgenerators 140 mit einem neuronalen Stimulationssystem (nicht dargestellt, siehe 3) umfassen, das zum Bestimmen der Wellenform und/oder der Signalparameter (z.B. Impulsbreite, Impulsform, Frequenz, Amplitude, Anzahl der Impulse usw.) der neuronalen Stimulationssignale, die vom Signalgenerator 140 erzeugt und über die Stimulationselektrode 130 an die afferenten Axone 120 angelegt werden, eingerichtet sein kann.
  • So kann beispielsweise das neuronale Stimulationssystem die Wellenform und / oder die Signalparameter des neuronalen Stimulationssignals so bestimmen, dass ein gewünschtes sensorisches Perzept in einem gewünschten Bereich des sensorischen Kortex des Individuums hervorgerufen wird. In einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann der Kortex 100 des Individuums, das das neuronale Stimulationssignal empfängt (d.h. über afferente Aktionspotentiale der stimulierten afferenten Axone 120) das entsprechende sensorische Perzept mit konzeptionellen Informationen wie einem Buchstaben, einem Wort, einem Objekt, einer Richtung usw. assoziieren. Ähnlich wie beim Verstehen von Morsecode kann das Individuum beispielsweise zuvor an einem konzeptionellen Lernverfahren (z.B. siehe 10) teilgenommen haben, das eine assoziative Verbindung zwischen einer bestimmten sensorischen Perzept, das durch ein bestimmtes Stimulationssignal hervorgerufen wird, und einer entsprechenden konzeptionellen Information (z.B. siehe 5 - 7) herstellt, das über die neuronale Stimulationselektrode 130 an das Individuum übermittelt werden soll.
  • Bei diesem Ansatz ist vorzugsweise die neuronalen Stimulationselektrode 130 nicht auf Kerne oder die neuronenreiche Graue Substanz gerichtet, sondern vorzugsweise die auf die axonreiche weiße Substanz des Gehirns, die die informationsübertragenden Bahnen enthält, die das Gehirn für die natürliche neuronale Kommunikation nutzt. Auf diese Weise bietet die vorliegende Erfindung ein Computer-Brain-Interface (CBI) der weißen Substanz, d.h. ein System, das elektrische Signale erzeugt und bereitstellt, die das Gehirn als sinnvollen Input interpretieren kann. Die maximale Effizienz für ein solches weißes Substanz CBI würde durch eine perfekte selektive Rekrutierung von einzelnen axonalen Fasern 120 erreicht.
  • In weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können die Elektrode 130, der Signalgenerator 140 und / oder die drahtlose Schnittstelle 142 auch Teil eines integrierten neuronalen Stimulations- und/oder Kommunikationssystems sein, z.B. wenn diese Komponenten für neuronale Kommunikationszwecke, d.h. für die direkte neuronale Kommunikation, angepasst sind. So kann beispielsweise ein neuronales Kommunikationssystem aus einer spezialisierten Kommunikationssoftware bestehen, die auf einer Mehrzweck-Rechenvorrichtung wie einem Smartphone läuft, und einer anwendungsspezifischen Anordnung von Signalgenerator 140 und Stimulationselektrode 130, die über die drahtlose Schnittstelle 142 mit der Mehrzweck-Kommunikationsvorrichtung unter Verwendung herkömmlicher drahtloser Datenübertragungstechnologien wie Wi-Fi, Bluetooth und / oder NFC kommunizieren.
  • In weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann die neuronale Stimulationselektrode 130 über Leitungsdrähte direkt mit einem neuronalen Stimulationssystem verbunden sein, das ein Datenverarbeitungssystem und einen Signalgenerator ähnlich dem Signalgenerator 140 umfasst. In diesem Fall wird die Funkschnittstelle 140 nicht benötigt.
  • 2 ist ein Blockdiagramm eines neuronalen Stimulationssignalgenerators 140, mit dem neuronale Stimulationssignale über eine neuronale Stimulationselektrode, wie die Stimulationselektrode 130 aus 1, an afferente Axone 120 angelegt werden können. Der neuronale Stimulationssignalgenerator 140 kann eine drahtlose Schnittstelle 142 zur Kommunikation mit einem neuronalen Remote-Stimulationssystem (z.B. siehe 3) umfassen, die eingerichtet sein kann, um eine Wellenform und/oder einen Signalparameter des neuronalen Stimulationssignals zu bestimmen, auszuwählen und an den Signalgenerator 140 zu übertragen, um ein gewünschtes sensorisches Perzept wie vorstehend beschrieben in Bezug auf 1 hervorzurufen.
  • So kann beispielsweise der neuronale Stimulationssignalgenerator 140 digitale Datenpakete empfangen, die ein gewünschtes neuronales Stimulationssignal über die drahtlose Schnittstelle 142 spezifizieren. Die Empfängerschaltung (RX) 210 kann die empfangenen digitalen Datenpakete verarbeiten (z.B. filtern, verstärken, mischen, in das Basisband abwärts konvertieren usw.) und die verarbeiteten digitalen Datenpakete an einen digitalen Signalprozessor (DSP) 220 weiterleiten, der einen integrierten Digital-Analog-Wandler (DAC) umfassen kann. Der DSP verarbeitet dann die digitalen Datenpakete, um ein oder mehrere neuronale Stimulationssignale zu erzeugen, die dann verstärkt und an eine neuronale Stimulationselektrode wie die Elektrode 130 von 1 durch einen Ausgangsverstärker (AMP) 230 angelegt werden können. So kann beispielsweise der Ausgangs AMP 230 konfiguriert werden, um vier (oder eine beliebige andere Anzahl) unabhängig steuerbare elektrische Kontakte 132 einer Stimulationselektrode, wie beispielsweise der Elektrode 130 von 1, über vier Drähte 240 anzusteuern.
  • In weiteren Ausführungsformen kann der DSP 220 die digitalen Datenpakete, die das neuronale Stimulationssignal spezifizieren, auch über eine drahtgebundene Schnittstelle empfangen oder direkt von einer kollokierten digitalen Datenpaketverarbeitungsschaltung (z.B. einem CPU) empfangen, das eingerichtet sein kann, die Wellenform und / oder Signalparameter eines gewünschten neuronalen Stimulationssignals zu bestimmen, das einem gewünschten zu erregenden sensorischen Perzept entspricht, und/oder einer gewünschten konzeptionellen Information, die über die neuronale Stimulationselektrode 130 an das Individuum zu übermitteln ist.
  • 3 stellt einen Blockschaltplan eines neuronalen Stimulations- und / oder Kommunikationssystems 300 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. Das neuronale Stimulations- und / oder Kommunikationssystem 300 kann beispielsweise eine drahtlose Schnittstelle 310 und eine Sender-(TX) Schaltung 350 zur Kommunikation (z.B. über Bluetooth-Technologie) mit einem neuronalen Signalgenerator wie der oben beschriebenen Generatorschaltung 140 unter Bezugnahme auf 2 umfassen. Die TX-Schaltung 350 kann zur Verarbeitung (d.h. Filtern, Modulieren, Mischen, Verstärken und / oder Aufwärtskonvertieren) von digitalen Datenpaketen eingerichtet sein, die über die drahtlose Schnittstelle 310 übertragen werden. Das neuronale Stimulations- und/oder Kommunikationssystem 300 kann ferner einen digitalen Signalprozessor (DSP) 340 umfassen, der funktionsfähig mit der TX-Schaltung 350 verbunden ist und geeignet ist, digitale Datenpakete bereitzustellen, die die Wellenform und/oder die Signalparameter (z.B. Frequenz, Phase, Impulsbreite, Pulsamplitude, Impulsform, Kanalzahl usw.) eines gewünschten neuronalen Stimulationssignals spezifizieren, das über eine neuronale Stimulationselektrode wie die Elektrode 130 von 1 angelegt werden soll, und / oder einen neuronalen Stimulationssignalgenerator wie den Signalgenerator 140 von 1 und 2.
  • Das neuronale Stimulations- und / oder Kommunikationssystem 300 kann ferner eine allgemeine Datenverarbeitungsschaltung umfassen, wie beispielsweise eine mit dem DSP 340 funktionsfähig verbundene CPU 320 und mindestens eine mit der CPU 320 funktionsfähig verbundene digitale Speichervorrichtung 330.
  • Die CPU 320 und der Speicher 330 können interagieren, um ein gewünschtes neuronales Stimulationssignal zu bestimmen, das einem gewünschten sensorischen Perzept und / oder einer entsprechenden konzeptionellen Information entspricht, die einem sensorischen Perzept zugeordnet ist.
  • So kann beispielsweise der Speicher 330 eine personalisierte Kommunikationsbibliothek für das Individuum enthalten, wobei die Bibliothek Beziehungen 332 zwischen einer Vielzahl von konzeptionellen Informationsblöcken und einer Vielzahl von entsprechenden neuronalen Stimulationssignalen speichert. So kann beispielsweise der Speicher 330 eine solche Beziehung 332 für jeden Buchstaben des Alphabets und / oder jede Zahl zwischen Null und zehn speichern. In weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann der Speicher 330 auch Beziehungen zwischen Stimulationssignalen und anderen Arten von konzeptionellen Informationen wie Objekten, Farben, Richtungen usw. speichern.
  • Ein Kernkonzept der vorliegenden Erfindung ist die Kalibrierung einer solchen Stimulationsbibliothek für jedes Individuum sowohl durch Neuroimaging und als auch individualisierte Tests des Individuum. Neuroimaging kann zunächst verwendet werden, um theoretisch mögliche Aktivierungsbereiche für eine einzelne Stimulationselektrode zu identifizieren, während individualisierte Tests bestimmen, welche Punkte im Parameterraum von Stimulationssignalparametern (für Details hierzu siehe 8 und 9 unten) das Potenzial haben, von Kortex des Individuums wahrgenommen und dekodiert zu werden. Es sollte betont werden, dass das bewusste individualisierte Testen eines Individuums nur ein konkretes Beispiel dafür ist, wie die im Speicher 330 gespeicherten individualisierten Beziehungen 332 erzeugt werden können. In anderen Ausführungsformen können solche Beziehungen 332 auch von bewusstlosen Patienten gewonnen werden, z.B. durch die nicht-invasive Beobachtung entsprechender funktioneller MRI (fMRI)-Reaktionen des somatosensorischen Kortex oder EEG-Aufnahmen.
  • Weiterhin kann einmalig oder während des Aufbaus der Kommunikationsbibliothek (d.h. der Vielzahl der im Speicher 330 gespeicherten Beziehungen 332) für eine Individuum ein bestimmter Trainingsvorgang (siehe 10) durchgeführt werden (wiederum nicht unbedingt bei einem bewussten Individuum). Solange der Kortex des Individuums auf die klassische Konditionierung reagiert, kann Paarlernen durchgeführt werden. In diesem Zusammenhang besteht ein solches Paar aus einer gegebenen sensorischen Perzept, das einem gegebenen neuronalen Stimulationssignal entspricht, und einer konzeptionellen Information, die mit dem gegebenen sensorischen Perzept und dem entsprechenden neuronalen Stimulationssignal zu assoziieren ist.
  • Wichtig ist, dass die Art der Information, die über das neuronale Stimulations- und / oder Kommunikationssystem 300 übermittelt werden soll, ob visuell, konzeptionell, kategorisch, auditiv usw., frei gewählt werden kann. Jede Information oder Nachricht, die in Nachrichtenblöcke zerlegt werden kann (d.h. konzeptionelle Informationen, die durch den Kortex eines Individuums dekodiert werden können), kann übertragen werden. Dazu gehören kontinuierliche Signalquellen wie Signale, die z.B. für eine künstliche Balance, Orientierungssignale oder andere Messsignale (z.B. Höhenmesser) benötigt werden. Lernparadigmen für kontinuierliche Signale weichen von der klassischen Konditionierung ab, da es sich um interaktive Trainingsszenarien handelt, bei denen die Nutzung des Signals ein relevanter Erfolgsfaktor ist (z.B. Orientierung in einer künstlichen virtuellen Umgebung mit dem Eingangssignal). Kontinuierliche Signale (z.B. Intensität) weichen auch von den Signalkonfigurationen für Nachrichten ab, die sequentiell zugestellte Nachrichtenblöcke enthalten (z.B. Buchstaben in einem Wort, das den sensorischen Perzept zugeordnet sind, die das Individuum erlernt, dem jeweiligen Buchstaben zuzuordnen). Im Falle kontinuierlicher Signale kann die Intensität (d.h. die zu übertragenden eindimensionalen Informationen) entweder über Pulsweiten- oder Frequenzvariationen (oder Kombinationen aus beiden) kodiert werden, ohne die Lage- und Zielbereiche im sensorischen Kortex zu variieren, auf die die rekrutierten Axonfasern gerichtet sind.
  • 4a veranschaulicht den Betrieb eines neuronalen Kommunikationssystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Aus Gründen der Klarheit wird der Betrieb in einem einfachen Aufbau beschrieben, bei dem eine einzelne neuronale Stimulationselektrode 130 mit vier unabhängig steuerbaren elektrischen Kontakten 132 - 138 so in das weißen Substanzbereich des Gehirns eines Individuums implantiert wird, dass vier verschiedene Bereiche 412 - 418 des sensorischen Kortex durch Stimulation einer Vielzahl von afferenten Axonen 120 stimuliert werden können, die auf sensorische Neuronen in dem jeweiligen Bereich 412 - 418 des Kortex 100 des Individuums gerichtet sind. So können beispielsweise die afferenten Axone 120 thalamokortikale Axone sein, die zum visuellen, auditorischen und / oder somatischen Sensorsystem des Individuums gehören. Aufgrund der kortiko-topischen Organisation der afferenten Axone 120 kann eine 1:1-Korrespondenz zwischen jedem elektrischen Kontakt 132 - 138 der Stimulationselektrode 130 und einem entsprechenden Bereich 412 - 418 des sensorischen Kortex 100 des Individuums hergestellt werden. So können beispielsweise die Wellenform und / oder die Signalparameter des neuronalen Stimulationssignals, das auf den Kontakt 132 der Elektrode 130 angelegt wird (z.B. durch das neuronale Stimulationssystem 300 von 3), so bestimmt werden, dass Aktionspotenziale nur oder überwiegend in der spezifischen Teilpopulation der afferenten Axone 120 ausgelöst werden, die auf den gewünschten Bereich 412 des sensorischen Kortex gerichtet sind.
  • So kann beispielsweise der Bereich 412 (414,416,418) mit den Berührungsempfindungen des rechten Daumens (Zeigefinger, Mittelfinger, Ringfinger) des Individuums verknüpft sein bzw. verantwortlich sein, dass diese wahrgenommen werden. In diesem Sinne kann die neuronale Stimulationselektrode 130 von 4a verwendet werden, um ein vierkanaliges CBI zu etablieren. In diesem Zusammenhang ist der Begriff „Kanal“ breit zu verstehen, so dass er jeden einzelnen Kommunikationskanal zum Kortex eines Individuums umfasst, über den der Kortex in der Lage ist, Signale zu empfangen, die von anderen dieser Kanäle getrennt werden können.
  • Da die kortikale Organisation von Individuum zu Individuum unterschiedlich ist, wird die oben beschriebene neuronale Kommunikationsbibliothek (und die darin gespeicherten neuronalen Stimulationssignale) in Bezug auf 3 zumindest teilweise separat für jedes Individuum festgelegt und angepasst. So kann beispielsweise durch die Lokalisierung der Elektrode 130 in der postoperativen Bildgebung, durch die Identifizierung der Kontakte 132 - 138 und die Verschmelzung dieser Informationen mit der DTI-basierten Einzel-Traktographie für ein neuronales Stimulations- und/oder Kommunikationssystem wie das System 300 von 3 automatisch räumlich getrennte Volumen an aktiviertem Gewebe (VTAs) berechnet werden, die dann genutzt werden können, um Aktionspotenziale in den von der Stimulationselektrode 130 rekrutierten Axonfasern 120 auszulösen. Im gezeigten Beispiel entspricht die Anzahl der selektiv stimulierbaren Axonfaserpopulationen der Anzahl der Kanäle (d.h. vier), mit denen Informationen (d.h. sensorische Perzepte und / oder zugehörige konzeptionelle Informationen) zur Interpretation an den jeweiligen sensorischen Kortexbereich 412 - 418 gesendet werden können.
  • In einigen Ausführungsformen kann die Stimulation der afferenten Axone 120 in Intensitäten erfolgen, die schließlich unter der Wahrnehmungsschwelle des Individuums liegen. Mit anderen Worten, die entsprechenden sensorischen Perzepte sind unbewusst. Je höher die Anzahl der einzelnen Faserpfade, die in entsprechenden kortikalen Bereichen enden, die über aktivierte Axonfasern 120 um die aktiven Kontakte 132 - 138 der Stimulationselektrode 130 herum einzigartig und selektiv stimuliert werden können, desto deutlicher können binäre Signale und / oder Multisymbol-Kommunikationskanäle aufgebaut werden.
  • Ein Binärsignal oder Signalkanal ist ein Gewebevolumen (Axonfasern 120), das durch ein bestimmtes neuronales Stimulationssignal aktiviert wird oder nicht (z.B. durch eine Reihe von Stromimpulsen, die aus dem neuronalen Stimulations- und / oder Kommunikationssystem 300 über den neuronalen Signalgenerator 140 und / oder die neuronale Stimulationselektrode 130 angelegt werden.
  • Diese aktivierten axonalen Fasern 120 können zu somatotopen und / oder retinotopen organisierten Bereichen des sensorischen Kortex führen. Die rekrutierten axonalen Fasern aktivieren einen bestimmten Teil der Körperrepräsentation auf dem Kortex, die dann wiederum vom Gehirn entschlüsselt und mit dem gewünschten sensorischen Perzept und / oder konzeptionellen Information assoziiert werden kann. Die Aktivierung kann binär (on vs. off oder on vs. überhaupt keine Stimulation) oder kontinuierlich erfolgen, indem die Signalstärke über Frequenz und / oder Amplitude innerhalb eines definierten Bereichs moduliert wird (siehe 8 und 9 unten).
  • Der in 4b dargestellte Prozessablauf fasst einige der Schritte zusammen, die durchgeführt werden können, um einen neuronalen Kommunikationskanal über eine neuronale Stimulationselektrode wie die Elektrode 130 herzustellen. Es ist zu beachten, dass einige oder alle Schritte 400A - 400E durch die neuronalen Stimulations- und / oder Kommunikationssysteme der vorliegenden Erfindung ausgeführt und / oder ermöglicht werden können:
    1. 1. 400A: Traktographisches Rekonstruieren axonaler Fasern, die z.B. den Thalamus mit dem betreffenden kortikalen Bereich verbinden, aus DTI-Neurobildinformationen des Probanden. Der kortikale Bereich (und die dorthin führenden Fasern) sollten eine somatotopische, retinotopische usw. Organisation aufweisen (dieser Ansatz funktioniert bei Axonen, die auf den somatosensorischen Kortex, den auditorischen Kortex, den Vi/V2-Kortex usw. abzielen).
    2. 2. 400B: Lokalisieren der neuronale Stimulationselektrode 130 und Modellieren der geometrischen Eigenschaften und Positionen der elektrischen Kontakte 132 - 138 aus postoperativen CT- oder MRT-Aufnahme des Individuums.
    3. 3. 400C: Berechnen der maximale Stromimpulsamplitude (z.B. gemessen in mA), bei der ein VTA die Außengrenze der Faserhülle um die Elektrode 130 erreicht, für jeden einzelnen elektrischen Kontakt 132 - 138 (z.B. unter Berücksichtigung, welche Teile der Axone 120 ohne unerwünschte Nebenwirkungen stimuliert werden können).
    4. 4. 400D: Die resultierenden VTAs bilden zusammen den Kommunikationsrahmen der Elektrode 130.
    5. 5. 400E: Eine optimale Kommunikation wird durch die Stimulation maximal unterschiedlicher / separater Regionen des jeweiligen Kortex, d.h. der Bereiche 412 - 416 über die Axonfasern 120, die zum jeweiligen Bereich führen, erreicht.
  • Die minimale Axonfaseranzahl bzw. der minimale Bündeldurchmesser ist die untere Grenze, die definiert, wie klein ein VTA sein kann, um noch genügend Axonfasern 120 für die Kommunikation zu rekrutieren; idealerweise endet jedes Bündel as einem anderen Teilbericht des sensorischen Kortex (der somatotopisch unterteilt ist).
  • Es sollte beachtet werden, dass aufgrund des chirurgischen Erfolgs jede Elektrodenposition eine unterschiedliche Bandbreite für die Kommunikation besitzt. Die mögliche Bandbreite wird anhand von zwei Funktionen bestimmt, zum einen der dem Schritt 400D zugrunde liegenden Funktion (z.B. wenn sich keine Kontakte in der Nähe der Axonfasern 120 befinden, kann keine Stimulation angewendet und kein Kommunikationskanal aufgebaut werden) und zum anderen durch Schritt 400E.
  • Die Funktion für Schritt 400E charakterisiert die Elektrodenposition in Bezug auf die Möglichkeit, unterschiedliche Axonfaserpopulationen eindeutig zu stimulieren. Dabei spielen nicht nur die Position der Stimulationselektrode 130, sondern auch der Elektrodentyp (ringförmig oder gerichtet oder anderweitig) und die Bandbreite der möglichen Stimulationsmuster eine Rolle (nur kathodische oder auch bipolare Stimulationen, biphasische Stimulationen, Mehrflächenstimulation, MICC = multiple unabhängige Stromregelung etc.). So haben beispielsweise Systeme mit MICC eine einzige Signalquelle, die mit jedem einzelnen Elektrodenkontakt 132 - 138 verbunden ist, so dass das neuronale Stimulations- und / oder Kommunikationssystem 300 von 3 mit fraktionierten Strömen stimulieren kann (z.B. 20 % der Ladung auf Kontakt 1 und 80 % auf Kontakt 2 gleichzeitig legen), aber auch gleichzeitig eine Mehrflächenstimulation durchführen kann (z.B. mit Impulsamplituden von 3 mA bei 20 Hz auf Kontakt 132 und mit 2 mA bei 120 Hz auf Kontakt 134 derselben Elektrode 130).
  • Die 5 - 7 veranschaulichen, wie verschiedene neuronale Stimulationssignale 500, 600, 700 und / oder VTAs durch den Kortex eines Individuums mit einer Vielzahl von verschiedenen Arten von konzeptionellen Informationen 510, 610, 710 wie verschiedene Buchstaben, verschiedene Tierarten und / oder verschiedene Arten von abstrakten mathematischen Operatoren verknüpft werden können. VTA-Formen werden durch definierte Kathoden/Anoden- und Stromkonfigurationen erzeugt, Impulsformen können Blöcke, Rampen oder Kombinationen davon sein und können unterschiedliche Frequenzen, Pulslängen oder wechselnde Stimulationsintensitäten aufweisen. In der Trainings-/Kalibrierphase (siehe 10 unten) können die über ein bestimmtes neuronales Stimulationssignal und die entsprechende VTA-Form hervorgerufenen sensorischen Perzepte praktisch jeder Art von konzeptionellen Informationen wie Buchstaben (z.B. A BC ), Richtungen (z.B. links, rechts, halb links, halb rechts) oder Konzepten (z.B. Stop, Go, Gefahr) etc. zugeordnet werden.
  • 8 veranschaulicht einen einfachen zweidimensionalen Parameterraum für einen neuronalen Kommunikationskanal, wie beispielsweise den Kanal, der durch einen der Elektrodenkontakte 132 - 138 der in 1 und 4a dargestellten neuronalen Stimulationselektrode 130 bereitgestellt wird. In diesem Beispiel sind die Signalparameter die Impulsfrequenz und die Impulsbreite für eine Folge von Stromimpulsen, wie die in den - dargestellten Impulsfolgen.
  • Der grau schattierte Bereich um 0Hz zeigt an, dass in diesem Bereich die Frequenz des Stimulationssignals zu niedrig ist, um ein sensorisches Perzept in dem entsprechenden Bereich des sensorischen Kortex des Individuums hervorzurufen. Der grau schattierte Bereich um 50Hz zeigt einen anderen Bereich an, der nicht geeignet ist, sinnvolle sensorische Perzepte hervorzurufen.
  • Jeder der kleinen weißen Kreise in 8 zeigt eine mögliche Kombination von Frequenz und Impulsbreite an, die verwendet werden kann, um ein unterschiedliches (d.h. unterscheidbares) sensorische Perzept innerhalb des Kortexbereichs hervorzurufen, z.B. Bereich 412 in 4a entsprechend dem jeweiligen elektrischen Kontakt, z.B. Kontakt 132 in 4a, der zum Anlegen des neuronalen Stimulationssignals verwendet wird, gekennzeichnet durch die Kombination von Frequenz und Impulsbreite.
  • Der dunkelgrau schattierte Bereich 800 zeigt Parameterbereiche an, die ebenfalls nicht für die neuronale Kommunikation geeignet sind, da Stimulationssignale, die diesen Bereichen entsprechen, zu einer verminderten Fähigkeit des Individuums führen können, das entsprechende bewusste sensorische Perzept klar zu unterscheiden und / oder zu lokalisieren.
  • 9 veranschaulicht, wie ein Kommunikationskanal mit drei verschiedenen Symbolen (z.B. niedrig mittel und hoch oder 1, 2, 3) durch die Verwendung von drei verschiedenen Kombinationen (gekennzeichnet durch die dunklen kleinen Kreise) von Signalparametern realisiert werden kann. Die Parameterbereiche 900 und 910 wurden ebenfalls als ungeeignet für die neuronale Kommunikation bestimmt, z.B. weil das entsprechende Stimulationssignal Schmerzen hervorruft oder unterhalb der Bewusstseinsschwelle liegt. In diesem Zusammenhang ist hervorzuheben, dass bereits drei solcher neuronaler Kommunikationskanäle, die jeweils drei Symbole signalisieren können, ausreichen, um 33 = 27 verschiedene konzeptionelle Informationen zu kommunizieren. Mit anderen Worten, eine einzelne Stimulationselektrode wie die Elektrode 130 von 1 und 4a mit drei unabhängig steuerbaren elektrischen Kontakten kann ausreichen, um jeden Buchstaben des Alphabets und ein Stoppsymbol direkt über eine direkte neuronale Kommunikation an das Individuum zu übermitteln. Damit dieses neuronale Kommunikationsparadigma richtig funktioniert, muss das Individuum, ähnlich wie beim Erlernen des Morsecodes, die jeweiligen Assoziationen zwischen den sensorischen Perzepte, die durch jedes der 27 verschiedenen neuronalen Stimulationssignale hervorgerufen werden, und jeden Buchstaben des Alphabets erlernen.
  • Um im obigen Beispiel zu bleiben, kann ein Kommunikationssignal entweder dadurch realisiert werden, dass der jeweiligen Elektrodenkontakt 132, 134, 136, 138, der die Axonfasern 120 beeinflusst, die zum jeweiligen Kortexbereich 412, 414, 416, 418 führen, entweder einzeln nacheinander stimuliert wird (im Wesentlichen wird dadurch der Kortex trainiert, ein Signal mit einem Körperteil binär zu verbinden - das Körperteil wird stimuliert oder nicht) oder in Kombination mit einer schwachen, mittleren oder starken Stimulation, die in Kombination gesendet werden.
  • Im Einzelnen spielen die Stimulationsebenen eines bestimmten Axonfaserbündels 120 und des zugehörigen Körperteils, die der einzelne Patient differenzieren kann (z.B. kann der Einzelne den Unterschied zwischen verschiedenen Intensitätsstufen eines sensorischen Perzepts erkennen), eine grundlegende Rolle bei der Bestimmung der Bandbreite eines neuronalen Kommunikationskanals. Im obigen Beispiel mit vier Bereichen und drei unterscheidbaren Intensitäten können 81 unterschiedliche Muster (z.B. Permutationen) erzeugt, wahrgenommen und mit konzeptionellen Informationen assoziiert werden, die über das CBI an das Individuum kommuniziert werden sollen. Die Festlegung differenzierbarer Ebenen kann auf bewusst wahrnehmbaren Ebenen erfolgen und dem Individuum, die sich dem Trainingsverfahren unterzieht (offene Kalibrierung; siehe 10) oder durch den Einsatz von EEG-Aufnahmen von der Schädeloberfläche oder anderen elektrophysiologischen Mitteln, um kortikale Reaktionen auf die Stimulation subkortikaler weißer Substanz aufzunehmen (geschlossene Kalibrierung).
  • Die Parzellierung des individuellen Kortex ist nicht von vornherein bekannt, obwohl wissenschaftlichen Forschungsmethoden (z.B. Transkranielle Magnetstimulation) aus dem Stand der Technik bekannt sind, mit denen solche individualisierten Karten erstellt werden können. Mangels einer individualisierten Karte der kortikalen Körperrepräsentationen in z.B. der somatosensorischen Region können möglichst unterschiedliche Axonfaserbündel 120 rekrutiert werden. In diesem Zusammenhang bedeutet „verschieden“ oder „disjunkt“, dass jedes Stimulationssignal AxonFaserpopulationen rekrutieren soll, die nicht von den anderen Stimulationssignalen rekrutiert werden.
  • Eine umgekehrte Lösung kann dann berechnet werden, um zu bestimmen, durch welche (potenziell bipolare und/oder biphasische) Elektrodenkonfiguration die Axonfasern am deutlichsten rekrutieren werden kann, während alle anderen Fasern so weit wie möglich vermieden werden. In einem solchen Schritt werden der Winkel jeder axonalen Struktur, die die stimulierende Elektrode passiert, sowie Faktoren wie Myelinisierung, axonaler Durchmesser und andere anatomische Eigenschaften, die für die Berechnung von elektrischen Leitfähigkeitsmodellen relevant sind (z.B. Impedanz in Abhängigkeit von lokaler Narbenbildung oder des Wassergehalt im Gewebe aus einem Ödem), berücksichtigt, wodurch optimale Stimulationsbedingungen (abhängig von der tatsächlichen Elektrodengeometrie) für jede Faser berechnet und Fasern mit ähnlichen kortikalen Zielregionen und geometrischer Nähe in einem Kanal zusammengefasst werden.
  • In einer Ausführungsform wird eine Ziel-Axonfaserpopulation über ein neuronales Stimulationssignal mit einer festen Impulsbreite und einer festen Amplitude (z.B. ein elektrischer Strom im mA-Bereich) aktiviert. Die Intensität des hervorgerufenen sensorischen Perzepts (z.B. die Level 1,2,3 im obigen Beispiel) kann dann durch Modulationen in der Frequenz des Stimulationssignals implementiert werden.
  • Im Detail: Ein Brute-Force-Ansatz würde VTAs innerhalb des Kommunikationsrahmens der Elektrode aus pseudozufälligen Stimulationsparametern (oder alternativ einen vollständigen Gang durch den multidimensionalen Parameterraum) generieren und die rekrutierten Axonfasern und ihrer wahrscheinlichen kortikalen Zielregionen bestimmen. Nach Ausschöpfung des Parameterraums werden die Stimulationseinstellungen (z.B. Signalparametersatz), die maximal geometrisch entfernte und nicht überlappende kortikale Regionen rekrutieren, als neuronale Kommunikationskanäle gespeichert.
  • Dieser letzte Schritt kann selbst so einfach erreicht werden, wie durch das Clustern der aktivierten kortikalen Voxel-3D-Schwerpunktkoordinaten, wobei jeder Cluster die Kortikalfaser-Terminierungszone darstellen würde, die von einem bestimmten Kanal adressiert wird. Noch besser geeignet sind natürlich nicht-VTA-basierte Methoden, die tatsächlich die Aktivierung einzelner Axonfaser aus neuronaler Kompartimentmodellierung annähern (z.B. durchgeführt über die NEURON-Software). In diesem Fall können begradiget Axonfasern aus der Traktographie (z.B. DTI-Traktographie) als Ersatz für eigentliche Axonfasern verwendet werden und die Terminierungszonen werden wie oben beschrieben bestimmt.
  • 10 veranschaulicht, wie ein solches konzeptionelles / perzeptives Lernverfahren 1000 implementiert werden kann, um ein funktionierendes neuronales Kommunikationssystem / CBI aufzubauen. Im veranschaulichten Beispiel wurde ein Individuum 1030 mit zwei neuronalen Stimulationselektroden 130 implantiert. Das Individuum 1030 empfängt ein bestimmtes neuronales Stimulationssignal 1020, das von dem neuronalen Kommunikationssystem 300 erzeugt wird, das über Stromdrähte mit den Stimulationselektroden 130 verbunden ist. Um eine bestimmte konzeptionelle Information (z.B. einen Buchstaben, ein Objekt, etc.) assoziativ mit dem angelegten neuronalen Stimulationssignal 1020 zu verknüpfen, wird dem Individuum 1030 über einen Bildschirm 1010 und / oder einen Lautsprecher (nicht dargestellt) die jeweilige konzeptionelle Information präsentiert.
  • Durch operante und klassische Konditionierung können die Assoziationen zwischen eines bestimmten Perzepts und einer konzeptionellen Information durch Training eingeprägt und schließlich in einer Validierungsaufgabe getestet werden (z.B. indem ein Perzept stimuliert wird und das Individuum gebeten wird, die entsprechende konzeptionelle Information zu identifizieren, ohne den entsprechenden visuellen und/oder auditiven Hinweis anzuzeigen, der zur Herstellung der assoziativen Verbindung während des Trainings verwendet wurde).
  • Über ein solches klassisches Konditionierungsparadigma werden visuelle Hinweise wie Wörter auf dem Bildschirm 1010 dargestellt (vor und nach visuellen Start & Stop Hinweisen). Bei der Wortdarstellung (Meldung) wird über die Elektroden 130 ein charakteristisches neuronales Stimulationssignal 1020 angelegt. Nach einem ausreichend langen Trainingslauf mit einer großen Anzahl von Wiederholungen kann das Individuum in einem Validierungslauf getestet werden. Während der Validierung wird nur das neuronale Stimulationssignal 1020 angelegt (vor und nach dem visuellen Start & Stop Hinweis, jedoch ohne die visuelle Darstellung des zugehörigen Wortes) und das Individuum 1030 wird darum gebeten, einen Zwangswahltest zur Identifizierung des betreffenden Wortes durchzuführen. Eine über der Zufallswahrscheinlichkeit liegende Genauigkeit des Zwangswahltest kann zur Erfolgskontrolle herangezogen werden.
  • In einem weiteren Training können die Stimulationsintensitäten so reduziert werden, dass keine bewussten Perzepte mehr hervorgerufen werden. Die unterbewusste Wahrnehmung der sensorischen Perzepte, die durch die neuronalen Stimulationssignale hervorgerufen werden, könne immer noch die Botschaften kodieren, die an das Individuum 1030 übermittelt wurden.
  • 11 zeigt ein Blockdiagramm eines Kalibrierungs- und Lernverfahrens zum Herstellen von Beziehungen zwischen dem neuronalen Stimulationssignal und entsprechenden konzeptionellen Informationen, die von einem neuronalen Stimulationssystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung übermittelt werden sollen. Die personalisierte Kommunikationsbibliothek wird gebildet, indem eine Anzahl von Kanälen (Block 1) und die Granularität der übertragbaren sensorischen Perzepte (z.B. durch Kalibrierung, Block 2) festgelegt wird, Nachrichtenblöcke und zugehörige Signalmusterpaare (Block 3) gespeichert und erfolgreiche Schnittstellenkomponenten (letzter Block) aufgezeichnet werden, z.B. durch Aufzeichnung der erfolgreichen Übertragung nach der Lernphase und/oder der Erkennungsratenleistung (Dekodierung von Signalmustern in wahrgenommene Nachrichten durch ein Individuum). Dies kann wiederholt werden, indem eine Reihe von Nachrichten in Signalmuster (Block 4) kodiert und an das Subjekt (Block 5) übertragen werden - ähnlich wie bei der Erhöhung der sprachlichen Gewandtheit eines Lernenden in einer Fremdsprache, indem er sich einer Reihe von Büchern aussetzt, anstatt das gleiche Buch immer wieder neu zu lesen.
  • 12 veranschaulicht eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei ein neuronales Stimulationssystem mit mindestens zwei neuronalen Stimulationselektroden 130 verbunden werden kann, um afferente Axone 120 zu stimulieren, die auf den sensorischen Kortex eines Individuums abzielen. In dieser Ausführungsform werden mehrere Elektroden so implantiert, dass ihre zeitsynchronen Stimulationsmuster verwendet werden können, um bestimmte Ziel-Axonfasern 120 zu überlappen und selektiver zu stimulieren.
  • 13 zeigt ein Magnetresonanzbild einer multikontaktierten Neuromodulationselektrode 1420, die zur Neuromodulation von efferenten Motoraxonen geeignet ist. Die Elektrode 1420 kann auch zur Stimulation von afferenten Axonen verwendet werden, die vom Thalamus 1400 über ein neuronales Stimulationssystem wie das System 300 von 3 in den sensorischen Kortex eines Individuums gelangen. So können beispielsweise neuronale Stimulationssignale durch unbenutzte Kontakte 1440 der Neuromodulationselektrode 1420 bereitgestellt werden, die für einen therapeutischen Zweck implantiert wurde (z.B. Neuromodulation des subthalamischen Kerns 1410 über die therapeutischen elektrischen Kontakte 1430).
  • So ist beispielsweise eine DBS-Elektrode, die als Neuromodulator, z.B. zur Behandlung von Parkinson, eingesetzt wird, in vielen Fällen nicht immer aktiv und / oder kann unabhängig steuerbare Kontakte umfassen, die zur Erreichung des Therapiezwecks nicht erforderlich sind. Somit kann die Neuromodulationselektrode auch zum Anlegen neuronaler Stimulationssignale verwendet werden, die von einem System nach der vorliegenden Erfindung bereitgestellt werden. Insbesondere bei DBS-Elektroden sind einige der Elektrodenkontakte 1440, die sich außerhalb des interessierenden Stimulationsbereichs befinden, völlig ungenutzt. Wenn jedoch eine Implantation in z.B. den subthalamischen Kern 1410 durchgeführt wird um durch die Spitzenkontakte 1430 z.B. die primären Parkinson-Symptome zu kontrollieren, könnten in Kombination mit der oben genannten Erfindung weiter distal liegende Kontakte verwendet werden, um z.B. ein kontinuierliches Gang-Biofeedbacksignal in das Gehirn zu übermitteln, welches der Patient nutzen kann, um besser zu navigieren und/oder sich aus „freezing of gait“-Situationen zu befreien. Ein solches Biofeedbacksignal kann z.B. aus einer EMG-Sensorrückmeldung bestehen, die über ein Smartphone an das Implantat übertragen wird, wobei die EMG-Einmalsensoren Muskelverspannungen oder Bewegungsmuster oder sogar einfache Beschleunigungssensordaten aus einer Smart Watch auslesen.

Claims (14)

  1. System (300,140) zum Stimulieren von sensorischen Neuronen im Kortex (100, 110, 112) eines Individuums, umfassend: a. ein Mittel zum Speichern (330), auf dem Beziehungen (332) zwischen sensorischen Perzepten des Individuums und entsprechenden neuronalen Stimulationssignalen (500, 600, 700) gespeichert sind, die direkt auf mindestens ein afferentes Axon (120) des Zentralnervensystems anzuwenden sind, das auf die sensorischen Neuronen im Kortex (100, 110, 112) des Individuums ausgerichtet ist; und b. ein Mittel zum Auswählen und Übertragen (320, 340, 350), das mindestens eines der neuronalen Stimulationssignale (500, 600, 700) auswählt und an mindestens ein neuronales Stimulationsmittel (130) des Individuums überträgt, wobei das mindestens eine neuronale Stimulationsmittel eingerichtet ist, eine Folge von Aktionspotentialen in dem mindestens einen afferenten Axon des Zentralnervensystems zu induzieren, die dem mindestens einen ausgewählten neuronalen Stimulationssignal entspricht; c. wobei die gespeicherten Beziehungen (332) zwischen den sensorischen Perzepten und den entsprechenden neuronalen Stimulationssignalen (500, 600, 700) zumindest teilweise auf kortikalen Anregungsdaten für das Individuum basieren und / oder auf sensorischen Wahrnehmungsdaten für das Individuum und / oder auf Verhaltensdaten, die zumindest teilweise auf subjektiven Erfahrungen das Individuum basieren; d. wobei das mindestens eine neuronale Stimulationssignal (500, 600, 700) dazu eingerichtet ist, die Folge von Aktionspotentialen in dem mindestens einen afferenten Axon (120) des Zentralnervensystems hervorzurufen und dadurch ein bewusstes oder ein unbewusstes sensorisches Perzept im Kortex (100,110,112) des Individuums hervorzurufen.
  2. System (300, 140) nach Anspruch 1, wobei das Mittel zum Auswählen und Übertragen (320, 340, 350) des mindestens einen neuronalen Stimulationssignals (500, 600, 700) mindestens eines der folgenden aufweist: a. einen digitalen Signalprozessor (340); b. einen Digital-Analog-Wandler (220); c. einen Radiofrequenzsender (350, 310); d. einen Radiofrequenzempfänger (142, 210); e. einen analogen und / oder digitalen Signalverstärker (230); f. eine Radiofrequenz-Mischerschaltung (210, 350); g. eine Tiefpass-, Hochpass- und / oder Bandpassschaltung (210, 350); h. eine drahtlose Kommunikationsschaltung (210, 350); und i. eine Impedanzanpassungsschaltung (210, 350).
  3. System (300, 140) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1-2, wobei die gespeicherten Beziehungen (332) zwischen den sensorischen Perzepten und den entsprechenden neuronalen Stimulationssignalen (500, 600, 700) zusätzlich zumindest teilweise auf einem oder mehreren der folgenden basieren: a. räumlichen Informationen für das mindestens eine afferente Axon (120) des Zentralnervensystems; b. räumlichen Informationen für das mindestens eine neuronale Stimulationsmittel (130); c. neuronalen Konnektivitätsinformationen für das mindestens eine afferente Axon (120) des Zentralnervensystems; d. einer elektrischen Feldverteilung, die mit dem mindestens einen neuronalen Stimulationsmittel (130) assoziiert ist; e. funktionellen Neurobildgebungsdaten für das Individuum; f. Diffusion Tensor Imaging Daten für das Individuum; g. neuroanatomische Referenzdaten, die für das Individuum relevant sind; h. konzeptionelle Lerndaten für das Individuum; i. einem Optimierungsverfahren zum Maximieren der Anzahl von Sinneswahrnehmungen, die von dem Individuum vorzugsweise gleichzeitig wahrgenommen werden können, wenn das entsprechende neuronale Stimulationssignal (500, 600, 700) an das mindestens eine neuronale Stimulationsmittel (120) des Individuums übertragen wird.
  4. System (300, 140) nach Anspruch 3, wobei die Wahrnehmungsdaten und / oder konzeptionellen Lerndaten generiert werden basierend zumindest teilweise auf einem oder mehreren von: a. dadurch, dass das Individuum an einer perzeptiven und / oder konzeptionellen Lernprozedur (1000) teilnimmt; b. dadurch, dass das Individuum, während es das mindestens eine neuronale Stimulationssignal empfängt, mit einer nicht-invasiven funktionellen Neurobildgebungsvorrichtung analysiert wird, vorzugsweise einer funktionellen Magnetresonanzbildgebungsvorrichtung oder einer elektrophysiologischen Aufzeichnungsvorrichtung oder mit einer invasiven elektrophysiologischen Aufzeichnungsvorrichtung.
  5. System (300, 140) zum Übermitteln von konzeptioneller Information (510, 610, 710) an ein Individuum, umfassend: a. ein Mittel zum Auswählen (320) mindestens eines neuronalen Stimulationssignals (500, 600, 700), das direkt auf mindestens ein afferentes Axon (120) des Zentralnervensystems angewendet werden soll, das auf mindestens ein sensorisches Neuron im Kortex (100, 110, 112) des Individuums gerichtet ist; b. wobei das mindestens eine neuronale Stimulationssignal (500, 600, 700) der zu kommunizierenden konzeptionellen Information (510, 610, 710) entspricht; und c. ein Mittel zum Übertragen (340, 350, 310) des mindestens einen ausgewählten, neuronalen Stimulationssignals (500, 600, 700) an mindestens ein neuronales Stimulationsmittel (130) des Individuums; d. wobei das mindestens eine neuronale Stimulationssignal (500, 600, 700) dazu eingerichtet ist, eine Folge von Aktionspotentialen in dem mindestens einen afferenten Axon (120) des Zentralnervensystems hervorzurufen und dadurch ein bewusstes oder ein unbewusstes sensorisches Perzept im Kortex (100,110,112) des Individuums hervorzurufen; e. wobei das Mittel zum Auswählen (320) des mindestens einen neuronalen Stimulationssignals (500, 600, 700) ein Mittel zum Zugreifen auf ein Datenspeichermittel (330) umfasst, das für das Individuum spezifische Beziehungen (332) zwischen einer Vielzahl von konzeptuellen Informationen (510, 610, 710) und einer Vielzahl von entsprechenden neuronalen Stimulationssignalen (500, 600, 700) speichert.
  6. System (300,140) nach dem vorhergehenden Anspruch 5, wobei die gespeicherten spezifischen Beziehungen (332) zumindest teilweise auf konzeptionellen Lerndaten für das Individuum basieren, wobei die konzeptionellen Lerndaten die Vielzahl der konzeptionellen Informationen (510, 610, 710) mit der Vielzahl der entsprechenden neuronalen Stimulationssignale (500, 600, 700) verbinden.
  7. System (300,140) nach Anspruch 5 oder 6, wobei die konzeptionellen Informationen (510, 610, 710) mindestens eines der folgenden aufweisen: einen Buchstaben, eine Zahl, eine Farbe, eine Raumrichtung, ein Wort, einen Satz, ein Objekt, eine Identität einer Person oder eines Tieres, eine Anweisung für eine motorische Reaktion des Individuums, eine Position, ein Bio- oder Neurofeedback-Signal, eine Form, ein Bild oder ein Icon, eine Warnung, eine Assoziation, einen Ähnlichkeitsgrad, ein Auffälligkeitssignal, einen Rhythmus, Start- oder Stoppbefehle oder Informationen, Berührungsinformationen, Oberflächentexturinformationen, Druckinformationen und / oder eine elektromagnetische Feldstärkenanzeige.
  8. System (300, 140) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das mindestens eine neuronale Stimulationsmittel (130) ein elektrisch-neuronales Schnittstellenmittel, ein opto-neuronales Schnittstellenmittel und / oder ein chemisch-neuronales Schnittstellenmittel umfasst.
  9. System (300, 140) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das elektrisch-neuronale Schnittstellenmittel mindestens eine Stimulationselektrode (130) umfasst, vorzugsweise umfassend eine Vielzahl von unabhängig steuerbaren elektrischen Stimulationskontakten (132, 134, 136, 138).
  10. System (300, 140) nach Anspruch 8 oder 9, wobei das elektrisch-neuronale Schnittstellenmittel mindestens zwei unabhängig steuerbare Stimulationselektroden (130) umfasst, die jeweils vorzugsweise eine Vielzahl unabhängig steuerbarer elektrischer Kontakte (132, 134, 136, 138) aufweisen.
  11. System (300,140) nach Anspruch 9, wobei die mindestens eine Stimulationselektrode durch mindestens einen Abschnitt (1440) einer Neuromodulationselektrode (1420) bereitgestellt wird, die für einen therapeutischen Zweck (1430) unabhängig von der Stimulation implantiert wurde.
  12. System (300,140) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Abschnitt (1440) der Neuromodulationselektrode (1420) ein Abschnitt ist, der nicht für den therapeutischen Zweck (1430) verwendet wird.
  13. System (300,140) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das mindestens eine afferente Axon (120) des Zentralnervensystems ein thalamokortikales Axon ist.
  14. System (300, 140) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich das mindestens eine sensorische Neuron in mindestens einem der folgenden befindet: a. einem somatosensorischen Kortexbereich, b. einem auditorischen Kortexbereich c. einem visuellen Kortexbereich, d. einem olfaktorischen Kortexbereich, e. einem gustatorischen Kortexbereich, f. einem somatosensorischen Assoziationskortexbereich und g. einem Propriozeptionskortexbereich.
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