350 rub
Journal Technologies of Living Systems №2 for 2011 г.
Article in number:
CONTEMPORARY APPROACHES IN VISUAL FUNCTION PROSTHESIS AND PECULIARITIES OF CORTICAL PROSTHESIS
Keywords: functional visual prosthesis cortical visual prosthesis neurophysiologic model
Authors:
B.Kh. Baziyan, M.E. Ivanova
Abstract:
There are more than 200 million blind and visually impaired people in the world. Nowadays different approaches exist in recovery of visual functions including gene engineering, stem cell transplantation, growth factor and other biological agents - application. This article is dedicated to visual prosthetics system, which can be useful in completely blind people, when brain-computer interface is implanted in the visual system. Several approaches are developed: retinal, cortical, implantation in optic nerve and lateral geniculate bodies. Cortical visual prosthesis consists of receptive, processing and stimulation units and based on phosphene vision. Major tasks which would be implemented with such prosthesis are skills of reading, face recognizing and orientation in space. Main research trends in cortical visual prosthesis are array resolution enhancement, programming interface development for better picture processing and estimation of safety features with further investigation in clinic. In neurocybernetics laboratory 13 felines were tested for their ability to develop conditional food-obtaining reflex in response to «phosphene model». 11 of the 13 tested animals qualified for the experiment and were implanted with either subdural/intracortical iridium-oxide microelectrode array or a single aureated silver electrode, in V1 primary visual cortex. Animals were divided into 4 groups based on the localization of the implant and the diameter of the electrodes (0.05, 0.2, or 1.0 mm). Implantations were controlled using stereotaxic atlas and visual evoked potentials. At the end of surgeries, cranium bones were sealed with acryl oxide adhesive. Follow-up period was 8-12 months. Three categories of parameters affecting phosphene perception were measured: 1) brain-computer interface parameters: position of microelectrode tip, diameter of electrodes, and number of stimulated electrodes (1-8); 2) major phosphene-evoking parameters: current strength, pulse duration and impedance for stimulated electrodes; 3) variables: frequency of stimulation, impulse polarity, and duration of train impulses. Preferable position of microelectrode tip was in 3rd-4th intracortical layers. Less current strength was needed with decrease in electrode diameter. Phosphene perception appeared when 3 or more electrodes were stimulated. Preferable frequency of stimulation was 25-100 Hz with bipolar -/+ impulses, at train duration of 1-2 s. Pulse duration was 0.3-1.0 ms for subdural and 0.1-0.5 for intracortical prostheses. Optimal intracortical current strength was 0.1-0.4 mA for 0.2-mm electrodes, and 0.02-0.1 mA for 0.05-mm electrodes. Subdural current strength was 1-4 mA for 1.0 mm electrodes, and 0.8-1.5 mA for 0.05-mm electrodes. Impedance for 0.05-mm electrodes achieved 50 kOm in 8 months after implantation, increasing a risk of neural cell damage. The obtained parameters allow for a long-term (up to 1 year) implantation of visual cortical prosthesis in felines. Further experiments are needed to evaluate longevity and longer-term biocompatibility of microelectrode arrays.
Pages: 18-29
References
  1. Всемирная организация здравоохранения. Пресс-релиз // Женева. 2002.
  2. Либман Е.С., Шахова Е.В. Слепота и инвалидность по зрению в населении России. // Тезисы докл. 8 съезда офтальмологов России. М. 2005. С. 78 - 79.
  3. Markowitz S.N.Principles of modern low vision rehabilitation // Can j ophthalmol. 2006. V.41. № 3. P.289-312.
  4. Базиян Б.Х., Гребенников Е.П., Гордеев С.А. Искусственная сетчатка на основе бактериородопсина // Материалы конф. «Новоев
    изучениипластичностимозга». Москва. 2000. С. 10.
  5. Humayun M.S. Intraocular retinal prosthesis Review // Am. Ophth. Soc. 2001. V.99. P.271-300.
  6. Brelen M.E., Duret F., Gerard B., Delbeke J., Veraart C. Creating a meaningful visual perception in blind volunteers by optic nerve stimulation. // J. Neural. Eng. 2005. V.2. №1. P. 22 - 28.
  7. Базиян Б.Х., Гребенников Е.П., Гордеев С.А. К вопросу о зрительном протезировании // Материалы конф. «Механизмы структурной, функциональной и нейрохимической пластичности мозга». М. 1999. C. 10.
  8. Базиян Б.Х., Гребенников Е.П., Гордеев С.А. Современные проблемы протезирования зрения // XVIII съезд физиологического об-ва им. И.П. Павлова. Тезисы докладов. Казань. 2001. С.20 - 21.
  9. Базиян Б.Х., Гордеев С.А., Гребенников Е.П. Характеристики прямых и обратных сигналов для макета искусственной сетчатки // Материалы междисциплинарной конф. с междунар. участием «Новые биокибернетические и телемедицинские технологии 21 века для диагностики и лечения заболеваний человека». Петрозаводск. 2003. С. 41.
  10. Остер Г. Фосфены // Наука и жизнь. 1971. № 4. С. 23 - 27.
  11. Brindley G.S., Lewin W.S. The sensations produced by electrical stimulation of the visual cortex // J. Physiol. 1968. V.196. P.479 - 493.
  12. Schmidt E.M., Bak M.J. et al.Feasibility of a visual prosthesis for the blind based on intracortical microstimulation of the visual cortex // Brain. 1996. V.119. P.507 - 522.
  13. Doty R.W. Conditioned reflexes elicited by electrical stimulation of the brain in macaques // J. Neurophysiol. 1965. V.28. P. 623 - 640.
  14. Kelly P.J., Dikmen F.N., Tarkington J.A. Photically oriented conditioned reflexes elicited by electrical stimulation of the visual system in the cat // Brain Research. 1973. V.51. P. 293 - 305.
  15. Шевелёв И.А. Различия в переработке информации нейронами додетекторных уровней в каналах центрального и периферического зрения // В кн.: IIсимпозиум по физиологии сенсорных систем. Физиологиязрения. Л. 1973.С. 54 - 55.
  16. Dobelle W.H. Artificial vision for the blind by connecting a television camera to the visual cortex // Am. Soc. Artific. Internal. Organs. J. 2000. V. 46. P.3 - 9.
  17. Кроль В.М. Характеристики вызванных ответов 17 и 18 полей зрительной коры кошки // В кн. Оптимизация. Исследование операций. Бионика. М. 1973. С. 246 - 254.
  18. Daniel P. M., Whittherige В. The representation of the visual field on the cerebral cortex in monkey // J. Physiol. [London]. 1961. V.159. № 2. P. 203 - 221.
  19. Tusa R.I., Palmer R.A., Rosenquist A. The retinotopic organization of area 17 (striate cortex) in the cat // J. Comp. Neurol. 1978. V. 177. № 2. P. 213 - 236.
  20. Коган А.Б., Компанеец Е.Б. Нейрофизиологические предпосылки к созданию функционального зрительного протеза для полностью слепых // В кн. Функциональное протезирование аппарата зрения. Ростов н/Д. 1972. C. 4 - 22.
  21. Полянский В.Б. Морфо-функцио­нальная характеристика структуры зрительного анализатора человека и животных после световой депривации //
    В кн.: Проблемы протезирования сенсорных функций (ред. А.Б Коган). Ростов-на-Дону. 1981. C. 16 - 44.
  22. MladejovskyM.G., EddingtonD.K., EvansJ.R., DobelleW.H.Acomputer-basedbrainstimulationsystemtoinvestigatesensoryprostheses for the blind and deaf // IEEE transactions on biomedical engineering. 1976. V. BME-23. N.4. P.286 - 296.
  23. Tehovnik E.J., Slocum W.M., Carvey C.E., Schiller P.H. Phosphene induction and the generation of saccadic eye movements by striate cortex // J. Neurophysiol. 2005. V.93. P. 1 - 19.
  24. Базиян Б.Х., Иванова М.Е., Гордеев С.А., Ортманн В.В. Адаптация мозга к кортикальному зрительному протезу // Материалы Всеросс. конф. с междунар. участием «Актуальные вопросы функциональной межполушарной асимметрии и нейропластичности». М.:Научныймир. 18 - 19 декабря 2008. С.684 - 686.
  25. Thompson R.W.Jr., Barnett G.D., Humayun M.S., Dagnelie G. Facial recognition using simulated prosthetic // Pixelized vision invest opht. 2003. V.44. № 11.
  26. Базиян Б.Х., Гордеев С.А., Ортманн В.В. Нейрофизиологические модели системы искусственного зрения. Проблемы нейрокибернетики // Материалы 14-й Международ. конф. Ростов-на-Дону. 2005. Т. 2. С. 276 - 279.
  27. Базиян Б.Х., Гордеев С.А., Иванова М.Е., Ортманн В.В. Параметры электрического раздражения имплантированных в зрительную кору кошки поверхностных и глубинных электродов, индуцирующих фосфены // Бюллетень экспериментальной биологии и медицины. 2008. Т.145. № 1. С. 8 - 11.
  28. Базиян Б.Х., Иванова М.Е., Гордеев С.А., Ортманн В.В. Экспериментальное исследование параметров вызывающего фосфены электрического раздражения кортикальных электродов для решения задачи зрительного протезирования // Анналы неврологии. 2009. Т.3. № 3. С. 25 - 29.
  29. Базиян Б.Х., Иванова М.Е. Перспективы исследования свойств имплантатов с нанопокрытием в экспериментах на нейрофизиологических моделях для создания зрительных протезов // Материалы III Междунар. научно-практ. конф. «Актуальные проблемы биологии, нанотехнологий и медицины». Ростов-на-Дону. 2009. С. 238.
  30. Базиян Б.Х., Иванова М.Е., Гордеев С.А., Ортманн В.В. Исследование параметров электрического раздражения зрительной коры для разработки зрительного протеза // Материалы XV Междунар. конф. по нейрокибернетике. Ростов-на-Дону. 2009. Т.1. С. 79 - 82.
  31. Ортманн В.В., Иванова М.Е., Базиян Б.Х. Интракортикальный интерфейс для использования в протезировании зрения // Журнал биомедицинской радиоэлектроники. 2008, № 8 - 9. С. 80 - 84.
  32. Baziyan B.K., Gordeev S.A., Ortmann V. Comparative Evolution of Cortical Stimulation Thresholds by Intracortical and Subdural Implantation. США, Флорида, ARVO Abstracts 2005. Index E-1513. P.1807.
  33. Ivanova M.E., Gordeev S.A., Ortmann V.V., Baziyan B.Kh.Evaluation of cortical visual prostheses microelectrode array function. Description of behavioral feline model // 30th Annual International IEEE EMBS Conference Vancouver. British Columbia. Canada. August 20-24. 2008. P.3371 - 3374.
  34. Normann R.A. Visual Neuroprosthetics functional vision for the blind // IEEE Engineering in medicine and biology. 1995. V.2. P. 77 - 83.
  35. Ortmann Valerij, Baziyan Boris Kh. Intracortical Neural Interface for Prosthetic Applications // Proceedings of the 29th Annual International Conference of the IEEE EMBS Cité Internationale. Lyon. France. August 23-26. 2007. P. 6371 ? 6374.
  36. Tehovnik E.J., Slocum W.M. Phosphene induction by microstimulation of macaque V1 // Brain
    Res. 2007. V.53. № 2. P.337 - 343.
  37. Perlin G.E., Sodagar A.M., Wise K.D. Neural recording front-end designs for fully implantable neuroscience applications and neural prosthetic Microsystems // Conf. Proc. IEEEEng. Med. Biol. Soc. 2006. V.1. P.2982 - 5.
  38. Полянский В.Б., Лямин О.И., Лаугалис Л.А. Исследование аналогов фосфенов в поведенческих и нейрофизиологических опытах на животных // Сборник материалов Всеросс. конф. «Проблемы нейрокибернетики». Ростов-на-Дону. 2005. С. 78.
  39. Dobelle W.H., Mladejovsky M.G., Evans J.R., et al. «Braille» reading by a blind volunteer by visual cortex stimulation // Nature. 1976. V. 259. P.111 - 112.
  40. Hubel D.H., Wiesel T.N. Receptive fields, binocular interaction and functional architecture in the cat's visual cortex // J. Physiol. 1962. V. 160. P.106 - 154.
  41. Hubel D.H, Wiesel T.N. Uniformity of monkey striate cortex: a parallel relationship between field size, scatter, and magnification factor. // J. Comp. Neurol. 1974. V.158. № 3. P.295 - 305.
  42. Wiesel T.N., Hubel D.H. Ordered arrangement of orientation columns in monkeys lacking visual experience // J. Comp. Neurol. 1974. V.158. № 3. P.307 - 318.