ES2882087T3 - Un aparato para la estimulación eléctrica del cerebro basada en modelos de circuito cerrado - Google Patents
Un aparato para la estimulación eléctrica del cerebro basada en modelos de circuito cerrado Download PDFInfo
- Publication number
- ES2882087T3 ES2882087T3 ES18306123T ES18306123T ES2882087T3 ES 2882087 T3 ES2882087 T3 ES 2882087T3 ES 18306123 T ES18306123 T ES 18306123T ES 18306123 T ES18306123 T ES 18306123T ES 2882087 T3 ES2882087 T3 ES 2882087T3
- Authority
- ES
- Spain
- Prior art keywords
- electrode
- cortical
- stimulation
- injured
- tissue
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 230000000638 stimulation Effects 0.000 title claims abstract description 136
- 210000004556 brain Anatomy 0.000 title claims abstract description 47
- 210000005257 cortical tissue Anatomy 0.000 claims abstract description 85
- 230000006870 function Effects 0.000 claims abstract description 56
- 230000001054 cortical effect Effects 0.000 claims abstract description 47
- 230000001537 neural effect Effects 0.000 claims abstract description 45
- 210000002569 neuron Anatomy 0.000 claims abstract description 22
- 210000001519 tissue Anatomy 0.000 claims abstract description 14
- 230000002779 inactivation Effects 0.000 claims abstract description 9
- 238000013178 mathematical model Methods 0.000 claims abstract description 7
- 230000004913 activation Effects 0.000 claims abstract description 6
- 230000008555 neuronal activation Effects 0.000 claims abstract description 5
- 238000005304 joining Methods 0.000 claims abstract description 4
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 31
- 206010001497 Agitation Diseases 0.000 claims description 14
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 3
- 208000006011 Stroke Diseases 0.000 description 19
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 17
- 230000003925 brain function Effects 0.000 description 12
- 210000005013 brain tissue Anatomy 0.000 description 11
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 11
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 8
- 230000037361 pathway Effects 0.000 description 8
- 201000007201 aphasia Diseases 0.000 description 6
- 241000282414 Homo sapiens Species 0.000 description 5
- 210000003710 cerebral cortex Anatomy 0.000 description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 5
- 230000000750 progressive effect Effects 0.000 description 5
- 238000003491 array Methods 0.000 description 4
- 230000000875 corresponding effect Effects 0.000 description 4
- 208000014644 Brain disease Diseases 0.000 description 3
- 240000007509 Phytolacca dioica Species 0.000 description 3
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 3
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 3
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 3
- 230000007659 motor function Effects 0.000 description 3
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 3
- 238000005316 response function Methods 0.000 description 3
- 210000003625 skull Anatomy 0.000 description 3
- 230000004936 stimulating effect Effects 0.000 description 3
- 238000002560 therapeutic procedure Methods 0.000 description 3
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 2
- 230000006735 deficit Effects 0.000 description 2
- 210000000609 ganglia Anatomy 0.000 description 2
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 2
- 230000000670 limiting effect Effects 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 2
- 230000002829 reductive effect Effects 0.000 description 2
- 230000001225 therapeutic effect Effects 0.000 description 2
- 206010061216 Infarction Diseases 0.000 description 1
- 208000012902 Nervous system disease Diseases 0.000 description 1
- 208000018737 Parkinson disease Diseases 0.000 description 1
- 208000027418 Wounds and injury Diseases 0.000 description 1
- 230000005856 abnormality Effects 0.000 description 1
- 230000003044 adaptive effect Effects 0.000 description 1
- 238000013528 artificial neural network Methods 0.000 description 1
- 210000003050 axon Anatomy 0.000 description 1
- 230000017531 blood circulation Effects 0.000 description 1
- 230000007177 brain activity Effects 0.000 description 1
- 230000005978 brain dysfunction Effects 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 description 1
- 230000009509 cortical damage Effects 0.000 description 1
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 208000037265 diseases, disorders, signs and symptoms Diseases 0.000 description 1
- 208000035475 disorder Diseases 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 230000008451 emotion Effects 0.000 description 1
- 230000002964 excitative effect Effects 0.000 description 1
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 1
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 1
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 description 1
- 210000004884 grey matter Anatomy 0.000 description 1
- 239000007943 implant Substances 0.000 description 1
- 230000001976 improved effect Effects 0.000 description 1
- 230000007574 infarction Effects 0.000 description 1
- 230000002401 inhibitory effect Effects 0.000 description 1
- 208000014674 injury Diseases 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 230000000302 ischemic effect Effects 0.000 description 1
- 208000011977 language disease Diseases 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 210000000478 neocortex Anatomy 0.000 description 1
- 210000005036 nerve Anatomy 0.000 description 1
- 210000000653 nervous system Anatomy 0.000 description 1
- 230000000926 neurological effect Effects 0.000 description 1
- 230000008906 neuronal response Effects 0.000 description 1
- 230000004112 neuroprotection Effects 0.000 description 1
- 230000036961 partial effect Effects 0.000 description 1
- 238000001050 pharmacotherapy Methods 0.000 description 1
- 230000003389 potentiating effect Effects 0.000 description 1
- 230000002265 prevention Effects 0.000 description 1
- 230000002250 progressing effect Effects 0.000 description 1
- 230000001737 promoting effect Effects 0.000 description 1
- 230000001902 propagating effect Effects 0.000 description 1
- 230000007420 reactivation Effects 0.000 description 1
- 230000002787 reinforcement Effects 0.000 description 1
- 230000033764 rhythmic process Effects 0.000 description 1
- 230000001953 sensory effect Effects 0.000 description 1
- 230000019491 signal transduction Effects 0.000 description 1
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 1
- 210000000278 spinal cord Anatomy 0.000 description 1
- 208000023516 stroke disease Diseases 0.000 description 1
- 238000001356 surgical procedure Methods 0.000 description 1
- 208000024891 symptom Diseases 0.000 description 1
- 230000002123 temporal effect Effects 0.000 description 1
- 208000037816 tissue injury Diseases 0.000 description 1
- 238000013334 tissue model Methods 0.000 description 1
- 238000012549 training Methods 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61N—ELECTROTHERAPY; MAGNETOTHERAPY; RADIATION THERAPY; ULTRASOUND THERAPY
- A61N1/00—Electrotherapy; Circuits therefor
- A61N1/18—Applying electric currents by contact electrodes
- A61N1/32—Applying electric currents by contact electrodes alternating or intermittent currents
- A61N1/36—Applying electric currents by contact electrodes alternating or intermittent currents for stimulation
- A61N1/3605—Implantable neurostimulators for stimulating central or peripheral nerve system
- A61N1/3606—Implantable neurostimulators for stimulating central or peripheral nerve system adapted for a particular treatment
- A61N1/36103—Neuro-rehabilitation; Repair or reorganisation of neural tissue, e.g. after stroke
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
- A61B5/40—Detecting, measuring or recording for evaluating the nervous system
- A61B5/4058—Detecting, measuring or recording for evaluating the nervous system for evaluating the central nervous system
- A61B5/4064—Evaluating the brain
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61N—ELECTROTHERAPY; MAGNETOTHERAPY; RADIATION THERAPY; ULTRASOUND THERAPY
- A61N1/00—Electrotherapy; Circuits therefor
- A61N1/18—Applying electric currents by contact electrodes
- A61N1/32—Applying electric currents by contact electrodes alternating or intermittent currents
- A61N1/36—Applying electric currents by contact electrodes alternating or intermittent currents for stimulation
- A61N1/3605—Implantable neurostimulators for stimulating central or peripheral nerve system
- A61N1/36128—Control systems
- A61N1/36135—Control systems using physiological parameters
- A61N1/36139—Control systems using physiological parameters with automatic adjustment
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61N—ELECTROTHERAPY; MAGNETOTHERAPY; RADIATION THERAPY; ULTRASOUND THERAPY
- A61N1/00—Electrotherapy; Circuits therefor
- A61N1/02—Details
- A61N1/04—Electrodes
- A61N1/05—Electrodes for implantation or insertion into the body, e.g. heart electrode
- A61N1/0526—Head electrodes
- A61N1/0529—Electrodes for brain stimulation
- A61N1/0531—Brain cortex electrodes
Landscapes
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Neurology (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Neurosurgery (AREA)
- Public Health (AREA)
- Animal Behavior & Ethology (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Biomedical Technology (AREA)
- Veterinary Medicine (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Radiology & Medical Imaging (AREA)
- Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
- Physiology (AREA)
- Biophysics (AREA)
- Heart & Thoracic Surgery (AREA)
- Psychology (AREA)
- Rehabilitation Therapy (AREA)
- Cardiology (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Pathology (AREA)
- Medical Informatics (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Surgery (AREA)
- Electrotherapy Devices (AREA)
Abstract
Un aparato para la estimulación eléctrica del cerebro que comprende: - Una matriz de electrodos bidimensional configurada para implantarse en la superficie del córtex de una persona, dicho córtex que tiene nodos neuronales esenciales previamente identificados e incluye tejido cortical sano y tejido cortical lesionado y/o parcialmente lesionado, la matriz de electrodos que cubre al menos parte de dicho tejido cortical sano y dicho tejido cortical lesionado y/o parcialmente lesionado, dicho tejido cortical lesionado y/o parcialmente lesionado que tiene al menos un parámetro de ondas corticales que es diferente del parámetro del tejido cortical sano, dicho al menos un parámetro que es uno de velocidad de propagación, amplitud y frecuencia de las ondas corticales, dicha matriz de electrodos que incluye electrodos para emitir señales eléctricas de estimulación en el córtex y medir ondas eléctricas corticales en el córtex; - un procesador que se comunica con los electrodos y configurado para: - en base a las señales medidas, evaluar dicho al menos un parámetro de ondas corticales entre al menos un primer electrodo y al menos un segundo electrodo correspondientes respectivamente a un primer nodo neuronal esencial identificado previamente y un segundo nodo neuronal esencial identificado previamente en el córtex, dicho primer nodo esencial identificado previamente y el segundo nodo esencial identificado previamente que están situados de manera que una línea rectilínea que une el primer nodo esencial identificado previamente y el segundo nodo esencial identificado previamente cruza dicho tejido cortical lesionado y/o parcialmente lesionado; - calcular en tiempo real las señales de estimulación necesarias para mantener dicho al menos un parámetro de ondas corticales en un intervalo predeterminado entre dicho primer electrodo y dicho segundo electrodo y aplicar dichas señales de estimulación calculadas a los electrodos, caracterizado por que el procesador está configurado para aplicar un modelo matemático de propagación de ondas corticales, de manera que cada señal de estimulación está determinada por una función de estimulación I(x,t), y en el que el procesador de ordenador está configurado para calcular numéricamente la función de estimulación I(x,t), aplicada a cada electrodo (7) en el tejido cortical lesionado y/o parcialmente lesionado y en el tejido cortical sano resolviendo numéricamente la ecuación: **(Ver fórmula)** donde K es una densidad neuronal total, K-u es una densidad de las neuronas no activadas, Wa es una intensidad de la señal de activación, Wi es una intensidad de señal de inactivación, el superíndice (1) corresponde al tejido sano y el superíndice (2) al tejido lesionado o parcialmente lesionado, g(u) y H(W) funciones crecientes de dicha intensidad de la señal de activación, (K-u)Wa representa un índice de activación neuronal y uWi representa un índice de inactivación de neuronas.
Description
DESCRIPCIÓN
Un aparato para la estimulación eléctrica del cerebro basada en modelos de circuito cerrado Sector de la técnica
La presente descripción se refiere a un aparato y procedimiento adecuados para la estimulación eléctrica del cerebro, que proporciona una señal de estimulación adaptativa en el espacio y el tiempo para modular la propagación de ondas eléctricas de actividad cortical.
Estado de la técnica
El cerebro se puede estimular por medio de medios eléctricos, magnéticos y optogenéticos para tratar diversas afecciones neurológicas. La estimulación del cerebro puede ser invasiva, lo que implica la necesidad de abrir el cráneo e implantar algún medio de estimulación directamente sobre y/o dentro del tejido cerebral. La estimulación del cerebro puede ser no invasiva, dejando el cráneo intacto y aplicando los estímulos desde fuera del mismo.
El documento WO2017/223564, por ejemplo, describe sistemas, procedimientos y dispositivos para promover la recuperación de un accidente cerebrovascular que ha inducido la pérdida de la función motora en un sujeto. El sistema incluye (un) electrodo(s) y un sistema de operaciones en comunicación eléctrica con (un) electrodo(s), en el que el(los) electrodo(s) está(n) construido(s) y dispuesto(s) para aplicar corriente a través del cerebro del sujeto y para registrar oscilaciones de baja frecuencia (LFO) de una zona perilesional del sujeto. Se puede colocar un electrodo de registro en comunicación eléctrica en una zona perilesional del sujeto; se puede colocar un electrodo de estimulación en comunicación eléctrica con el cerebro del sujeto; se registran las oscilaciones de baja frecuencia (LFO) de la zona perilesional del sujeto; y la estimulación actual se envía al cerebro del sujeto.
En el ejemplo anterior de la técnica anterior, se hace hincapié en el tratamiento de la pérdida de las funciones motoras después de un accidente cerebrovascular. Por ello se detectan oscilaciones de baja frecuencia, dado que se considera que las oscilaciones de baja frecuencia están asociadas a las funciones motoras de un individuo. Aquí, en este ejemplo de la técnica anterior, la LFO registrada en el sitio perilesional se utiliza para determinar los parámetros de estimulación de la estimulación con corriente alterna. A continuación, la forma de onda y la frecuencia de la estimulación de corriente alterna se calculan para que coincidan con la LFO registrada. A continuación, se aplican pulsos discretos de estimulación de corriente a las áreas perilesionales para potenciar las LFO relacionadas con la tarea motora.
Además, en la técnica anterior, la estimulación de la LFO se produce en un electrodo o, posiblemente, simultáneamente en varios electrodos con la misma señal en cada electrodo, sin considerar la propagación espacial (desplazamiento) de las ondas. "Onda" en el ejemplo de la técnica anterior citado anteriormente se refiere a la forma de oscilaciones en el tiempo pero no se refiere a la propagación espacial. No obstante, datos experimentales y clínicos recientes sugieren que la información en el córtex cerebral se propaga en el espacio entre los nodos corticales en forma de ondas progresivas. La velocidad, la amplitud y la forma (frecuencia) de las ondas progresivas entre diferentes nodos corticales tienen una importancia primordial para el funcionamiento normal del cerebro. En el caso de una lesión cortical, todas estas grandes vías de señalización no se pueden estimular mediante una sola señal con LFO.
La presente divulgación tiene como objetivo en particular mejorar los aparatos y procedimientos de estimulación del cerebro invasivos y no invasivos existentes mediante la estimulación de ondas progresivas de propagación espacial entre pares de nodos corticales que participan en la función del lenguaje o en las otras funciones cerebrales.
Se pueden encontrar más ejemplos de la técnica anterior en el documento US2009/0118787A1 que describe la retroalimentación en circuito cerrado para dirigir la energía de estimulación dentro del tejido, y el documento US2012/0071947A1 que describe un procedimiento y aparato para el refuerzo provocado por un acontecimiento de un estado cerebral favorable. Sin embargo, se puede encontrar otro ejemplo de la técnica anterior en la publicación científica de MODOLO: "Using a virtual cortical module implementing a neural field model to modulate brain rhythms in Parkinson's disease", FRONTIERS IN NEUROCIENCE, 1 de enero de 2010.
Objeto de la invención
A diferencia de la técnica anterior citada anteriormente, la siguiente divulgación ha sido motivada en particular por encontrar una solución al tratamiento de la afasia posterior al accidente cerebrovascular
que consiste en la estimulación de ondas de propagación espacial (progresivas) entre pares de nodos corticales que participan en la función del lenguaje. No obstante, otros trastornos relacionados con el accidente cerebrovascular se pueden tratar con el mismo procedimiento y aparato y también se ha confirmado que también se pueden tratar otras disfunciones cerebrales distintas de las relacionadas con el accidente cerebrovascular. Con este objetivo, la presente divulgación proporciona un aparato para la estimulación eléctrica del cerebro que comprende:
- una matriz de electrodos bidimensionales diseñada para implantarse en la superficie del córtex de una persona, dicho córtex tiene nodos neuronales esenciales previamente identificados e incluye tejido cortical sano y tejido cortical lesionado y/o parcialmente lesionado, dicha lesión y/o tejido cortical parcialmente lesionado que tiene al menos un parámetro de ondas corticales que es diferente del parámetro del tejido cortical sano, dicho al menos un parámetro que es uno de velocidad de propagación, amplitud y frecuencia de las ondas corticales,
dicha matriz de electrodos incluye electrodos para emitir señales eléctricas de estimulación en el córtex y medir ondas eléctricas corticales en el córtex,
y dicho conjunto de electrodos que está diseñado para cubrir al menos parte de dicho tejido cortical sano y dicho tejido lesionado y/o tejido cortical parcialmente lesionado;
- un procesador que se comunica con los electrodos y configurado para:
- en base a las señales medidas, evaluar dicho al menos un parámetro de ondas corticales entre al menos un primer electrodo y al menos un segundo electrodo correspondientes respectivamente a un primer nodo neuronal esencial identificado previamente y un segundo nodo neuronal esencial identificado previamente en el córtex, dicho primer nodo esencial identificado previamente y el segundo nodo esencial identificado previamente que están situados de manera que una línea rectilínea que une el primer nodo esencial identificado previamente y el segundo nodo esencial identificado previamente cruza dicho tejido cortical lesionado y/o parcialmente lesionado;
- calcular en tiempo real las señales de estimulación necesarias para mantener dicho al menos un parámetro de ondas corticales en un intervalo predeterminado entre dicho primer electrodo y dicho segundo electrodo y aplicar dichas señales de estimulación calculadas a los electrodos, y
en el que cada señal de estimulación está determinada por una función de estimulación I(x,t), y el procesador de ordenador está configurado para calcular numéricamente la función de estimulación I(x,t) aplicada a cada electrodo en el tejido cortical lesionado y/o parcialmente lesionado y al tejido sano resolviendo numéricamente la ecuación:
donde K es una densidad neuronal total, K-u es una densidad de neuronas no activadas, Wa es una intensidad de la señal de activación, Wi es una intensidad de la señal de inactivación, el superíndice (1) corresponde al tejido sano y el superíndice (2) al tejido lesionado o parcialmente lesionado, g(u) y H(W) son funciones crecientes de dicha intensidad de la señal de activación, (K-u)Wa representa un índice de activación neuronal y uWi representa un índice de inactivación de neuronas.
Especialmente, en comparación con la técnica anterior citada en la sección del estado de la técnica, la presente divulgación se basa en identificar al menos dos nodos neuronales esenciales (basados en relaciones estructurales y funcionales) y aplicar una señal de estimulación externa entre estos nodos esenciales identificados previamente, recuperando así las funciones del cerebro. En la técnica anterior, la forma de onda y la frecuencia de la estimulación de corriente alterna se calculan para que coincidan con la LFO registrada. Por el contrario, la presente divulgación no intenta encontrar coincidencias entre la corriente alterna aplicada y las LFO detectadas (ni otras oscilaciones). En lugar de ello, la materia objeto reivindicada tiene como propósito recuperar una coincidencia entre las ondas cerebrales en el tejido cortical sano y lesionado. Esto se hace recuperando la coincidencia entre los parámetros de las ondas cerebrales del tejido cortical sano y lesionado.
Los rasgos característicos del aparato definido anteriormente comprenden, respectivamente, medios para medir ondas corticales eléctricas en el córtex, medios para evaluar al menos un parámetro de ondas corticales en base a las señales medidas, y medios para calcular y aplicar en tiempo real las señales de estimulación requeridas, dicho al menos un parámetro de ondas corticales en un intervalo predeterminado. Esta secuencia de etapas crea un circuito cerrado, de modo que el aparato puede recibir de forma continua información de los electrodos y reaccionar mediante modificaciones apropiadas de la señal de estimulación externa.
Con estos rasgos característicos, el aparato reivindicado actúa para recuperar el parámetro de ondas
corticales en el caso de una conectividad y excitabilidad reducidas entre los nodos individuales del tejido cortical. Pueden producirse dos casos. Primero, la estimulación eléctrica puede aumentar la conectividad del tejido cortical lesionado y/o parcialmente lesionado, en cuyo caso el efecto de la estimulación externa puede durar más allá de la estimulación (es decir, después de que se detenga la estimulación), recuperando así eficazmente la funcionalidad cerebral. En segundo lugar, la señal de estimulación externa puede modificar la excitabilidad, lo que conlleva al menos la estimulación temporal y la mejora de la función cerebral, ayudando eficazmente a recuperar alguna función cerebral, pero no conlleva la recuperación completa de la funcionalidad cerebral.
Con el aparato reivindicado, resulta posible inducir la propagación de ondas de potencial eléctrico en el tejido cortical generando así actividad eléctrica a través del córtex a diferentes velocidades y progresando en diferentes direcciones como, por ejemplo, recta, espiral y otras posibles direcciones. La pertinencia de la identificación previa de los nodos neuronales esenciales antes de la aplicación de la estimulación externa reside en el hecho de que permite aplicar la señal de estimulación externa en la ubicación más adecuada del córtex. Esto mejora la eficacia del aparato. Además, la ubicación de los electrodos en nodos esenciales predeterminados permite aplicar la señal de estimulación externa con dependencia espacial, es decir, la señal de estimulación externa se determina según su posición en el espacio (ubicación en el córtex).
El aparato reivindicado permite mantener la propagación de ondas en el córtex y contribuye a la reactivación de la red cortical.
El enfoque de circuito cerrado tiene la ventaja de que la señal que llega al área del cerebro está programada para adaptarse a la actividad cerebral coexistente con la consecuencia de que la señal de estimulación externa no tiene que ajustarse manualmente de forma regular por el médico y la estimulación externa se puede adaptar a las necesidades del individuo.
Además, las matrices de electrodos pueden proporcionar información sobre la velocidad de propagación de las ondas en el tejido cortical enfermo (lesionado o parcialmente lesionado).
En algunas realizaciones del aparato definido anteriormente, también se podría usar uno o más de los siguientes rasgos característicos:
- dicho intervalo predeterminado corresponde a valores de dicho al menos un parámetro de ondas corticales en el tejido cortical sano;
- dicho procesador está configurado para calcular dichas señales de estimulación para el primer electrodo y el segundo electrodo y aplicar dichas señales de estimulación calculadas al primer electrodo y al segundo electrodo;
- dicho al menos un parámetro de ondas corticales se mantiene entre dicho primer electrodo y segundo electrodo a través de al menos un tercer electrodo,
y en el que dicho procesador está configurado para (i) en base a las señales medidas de dicho primer electrodo, segundo electrodo y al menos un tercer electrodo, evaluar dicho al menos un parámetro de ondas corticales entre pares de electrodos adyacentes entre dicho primer electrodo, segundo electrodo y al menos un tercer electrodo; (ii) calcular dichas señales de estimulación para dicho primer electrodo, segundo electrodo y al menos un tercer electrodo, y aplicar dichas señales de estimulación calculadas a dicho primer electrodo, segundo electrodo y al menos un tercer electrodo;
- dicho al menos un tercer electrodo incluye una pluralidad de terceros electrodos;
- dicha pluralidad de terceros electrodos forma una trayectoria diseñada para situarse al menos en parte en el tejido cortical lesionado y/o parcialmente lesionado;
- dicha pluralidad de terceros electrodos forma una trayectoria diseñada para situarse en el tejido cortical sano;
- dicha trayectoria está diseñada para situarse en el borde del tejido cortical lesionado y/o parcialmente lesionado;
- el aparato está configurado para estimular simultáneamente un par de electrodos seleccionados asociados con un par específico de nodos neuronales esenciales previamente identificados.
- dicho procesador está configurado para calcular dichas señales de estimulación usando un modelo
matemático de propagación de ondas corticales;
- el procesador está configurado para aplicar el modelo matemático de propagación de ondas corticales, de manera que cada señal de estimulación está determinada por una función de estimulación I(x,t), donde la función de estimulación es una función de las coordenadas espaciales (esto permite aplicar la señal de estimulación externa en cada electrodo de la matriz de electrodos de manera diferente, de modo que la propagación espacial de la onda - progresiva - en el córtex cerebral se respeta adecuadamente durante el tratamiento);
- el procesador está configurado para hacer funcionar la matriz de electrodos de manera que cada electrodo en la matriz de electrodos aplica una señal de estimulación externa (determinada por el valor de la función de estimulación) dependiendo de la ubicación del electrodo en el córtex cerebral (aplicando una señal de estimulación diferente en cada electrodo de la matriz de electrodos, se respeta la propagación espacial de las ondas cerebrales y se puede mejorar la eficacia del aparato; por supuesto, esta realización también incluye el caso en el que varios electrodos aplican la misma estimulación externa y uno o más de otros electrodos aplican una señal de estimulación externa diferente; se puede seleccionar el valor apropiado de la estimulación externa para cada electrodo individualmente);
- el procesador está configurado para aplicar una señal de estimulación externa determinada por la función de estimulación l(x,t) que tiene
el valor más bajo de la estimulación total
- el procesador está configurado para aplicar una señal de estimulación externa determinada por la función de estimulación I(x,t), que tiene el valor más bajo de estimulación máxima = máx I(x,t); - el procesador está configurado para determinar el valor de la señal de estimulación externa determinado por la función de estimulación I(x,t), de manera que el proceso determina la velocidad de la onda en el tejido cortical según la fórmula
donde a caracteriza la excitabilidad del tejido cortical y y caracteriza la conectividad del tejido cortical; - el procesador está configurado para determinar si la condición de
se satisface en el tejido cortical,
donde a es un parámetro que caracteriza la excitabilidad del tejido cortical del tejido cortical sano y Y es un parámetro que indica la conectividad del tejido cortical.
Otro objetivo de la presente descripción es un procedimiento de estimulación eléctrica del cerebro que comprende las etapas de:
- proporcionar una matriz de electrodos bidimensional que incluye electrodos;
- implantar la matriz de electrodos bidimensional en la superficie del córtex de una persona, dicho córtex que tiene ganglios neuronales esenciales previamente identificados e incluye tejido cortical sano y tejido cortical lesionado y/o parcialmente lesionado, dicho tejido cortical lesionado y/o parcialmente lesionado que tiene al menos un parámetro de ondas corticales que es diferente del parámetro de un tejido cortical sano, dicho al menos un parámetro que es uno de velocidad de propagación, amplitud y frecuencia de las ondas corticales;
- emitir mediante los electrodos señales eléctricas de estimulación en el córtex y medir ondas eléctricas corticales en el córtex;
- cubrir mediante la matriz de electrodos al menos parte del tejido cortical sano y el tejido cortical lesionado y/o parcialmente lesionado;
- en base a las señales medidas, evaluar dicho al menos un parámetro de ondas corticales entre al menos un primer electrodo y al menos un segundo electrodo correspondientes respectivamente a un primer nodo neuronal esencial identificado previamente y un segundo nodo neuronal esencial
identificado previamente en el córtex, dicho primer nodo neuronal esencial identificado previamente y el segundo nodo neuronal esencial identificado previamente están situados de manera que una línea rectilínea que une el primer nodo neuronal esencial identificado previamente y el segundo nodo neuronal esencial identificado previamente cruza dicho nodo lesionado y/o tejido cortical parcialmente lesionado;
- calcular en tiempo real las señales de estimulación necesarias para mantener dicho al menos un parámetro de ondas corticales en un intervalo predeterminado entre dicho primer electrodo y dicho segundo electrodo y aplicar dichas señales de estimulación calculadas a los electrodos
En algunas realizaciones del procedimiento definido anteriormente, también se podría usar uno o más de las siguientes etapas adicionales:
- el procedimiento se utiliza para tratar la afasia posterior a un accidente cerebrovascular y/u otros trastornos cerebrales en los que es necesario recuperar los parámetros de las ondas progresivas - el procedimiento se utiliza junto con la participación activa del paciente durante la estimulación externa
- el procedimiento se utiliza para tratar la afasia posterior a un accidente cerebrovascular
- la señal de estimulación calculada aplicada no se aplica al electrodo de forma continua, más en particular la señal de estimulación calculada aplicada se aplica a los electrodos en momentos discretos en el tiempo (dicho rasgo característico está diseñado para optimizar el uso de la batería y proporcionar un tratamiento específico más apropiado para el paciente, dado que la estimulación externa se puede reinyectar solo cuando sea necesario, por ejemplo, solo cuando la coincidencia entre los parámetros de las ondas cerebrales del tejido cortical sano y los parámetros de las ondas cerebrales en el tejido cortical lesionado sea mayor que una tolerancia predeterminada).
Otras características y ventajas aparecerán fácilmente a partir de la siguiente descripción de una realización, proporcionada como ejemplo no limitativo, y de los dibujos adjuntos.
Descripción de las figuras
La Fig.1 ilustra un cerebro que muestra áreas de tejido cortical sano, tejido cortical lesionado y parcialmente lesionado.
La Fig.2 ilustra diferentes formas de reconectar nodos neuronales esenciales identificados previamente según la reciente divulgación.
La Fig.3 es una ilustración de la propagación de una onda monótona con una velocidad de onda c. La Fig.4 es una ilustración de la propagación de una onda oscilante con una velocidad de onda promedio c.
La Fig.5 muestra la propagación de ondas periódicas en simulaciones numéricas similares a las registradas experimentalmente en matrices de electrodos (como se muestra en la Fig. 6).
La Fig.6 muestra ondas periódicas registradas experimentalmente registradas en matrices de electrodos (la ilustración está tomada de una publicación científica de Zhang H, Watrous AJ, Patel A, y Jacobs J., las oscilaciones alfa y zeta son ondas progresivas en el neocórtex humano, (2018) Neuron, 98, 1-1327 junio).
La Fig.7 es una ilustración esquemática de los componentes del aparato reivindicado.
En las diferentes Figuras, los mismos signos de referencia designan elementos iguales o similares. Descripción detallada
Una de las aplicaciones de la divulgación reside en el tratamiento de la afasia, que es un deterioro del procesamiento del lenguaje (a menudo como resultado de un accidente cerebrovascular). La afasia a largo plazo es cada vez más común entre la población y dado que los trastornos del lenguaje posteriores a un accidente cerebrovascular están estrechamente relacionados con la mala calidad de vida, existe una mayor necesidad de proporcionar procedimientos y aparatos adecuados para el tratamiento y la posible recuperación del tejido cerebral. Incluso cuando las funciones cerebrales no se pueden recuperar por completo, a menudo es posible la recuperación parcial del tejido cerebral y/o el
aparato puede ayudar al paciente a mantener, mejorar o recuperar gradualmente la función cerebral. Aunque la atención se centra en los trastornos de un accidente cerebrovascular en el cerebro, se ha estudiado y se ha llegado a la conclusión de que el procedimiento y el aparato descritos a continuación se pueden utilizar igualmente para abordar otros trastornos cerebrales. Se obtienen resultados comparables con los presentados a continuación para otros trastornos cerebrales. En general, la divulgación podría relacionarse con cualquier trastorno neurológico del sistema nervioso que cause anomalías estructurales, bioquímicas y/o eléctricas en el cerebro, la médula espinal u otros nervios. En general, existe una presión creciente para encontrar nuevas opciones terapéuticas que ayuden a los pacientes con accidente cerebrovascular a recuperar las funciones normales, o al menos a optimizar sus funciones residuales cuando se han agotado todas las demás opciones. Durante la fase de recuperación temprana después de las terapias para accidentes cerebrovasculares como, por ejemplo, la neuroprotección, la recuperación del flujo sanguíneo, la farmacoterapia y el entrenamiento intensivo, los síntomas pueden mejorar significativamente. Aún así, las estimaciones concluyen que el deterioro después de un accidente cerebrovascular persisten en hasta el 40% de los pacientes durante más de un año.
La recuperación del tejido cerebral lesionado puede producirse de forma espontánea, pero puede amplificarse y acelerarse con el uso de técnicas de estimulación del cerebro invasivas y/o no invasivas. Durante la última etapa de la recuperación, las mejoras parecen llegar a una meseta. Por tanto, el problema resuelto reside en encontrar cómo las técnicas de estimulación del cerebro pueden mejorar la excitabilidad cortical restante en el hemisferio afectado. Las soluciones a este problema se proporcionan mediante la técnica del presente procedimiento y aparato.
En general, el procedimiento y aparato presentados en la solicitud actual introduce un modelo matemático adaptado para determinar la señal de estimulación eléctrica externa ajustada de tal manera que la velocidad de la onda u otros parámetros de las ondas cerebrales se puedan reconstruir. Simultáneamente, con el tratamiento presente en esta solicitud, un paciente puede emprender cualquier terapia de rehabilitación estándar disponible, con el fin de mejorar el efecto de la estimulación eléctrica. La terapia de rehabilitación puede implicar actividades relacionadas con el lenguaje como, por ejemplo, ejercitar la memoria léxica o el procesamiento fonológico.
En comparación con las técnicas de recuperación y estimulación del cerebro no invasivas existentes, la presente divulgación es ventajosa, dado que no tiene los inconvenientes habituales de las técnicas no invasivas. Las técnicas no invasivas tienen una resolución espacial y temporal limitada. En lo que respecta a las técnicas de estimulación cerebral profunda existentes, estas técnicas también están asociadas con determinados inconvenientes. Especialmente, la estimulación cerebral profunda tiene limitaciones como, por ejemplo, la presencia de efectos secundarios o una duración limitada de la batería que requiere cirugía para su sustitución. Finalmente, cabe destacar que las técnicas optogenéticas actuales aún no están listas para la estimulación cortical humana.
En referencia a la Fig. 1, después de un accidente cerebrovascular, el tejido del cerebro 1 se ve afectado en algunas áreas. En general, las áreas se pueden dividir en cuatro tipos. El área 2 central de infarto que contiene células muertas se llama umbra 2 y esta área contiene células neuronales lesionadas. En la presente solicitud, la umbra también se denomina tejido 2 cortical lesionado. Alrededor de la umbra 2, hay un tejido isquémico llamado penumbra 3, esta área contiene células neuronales parcialmente lesionadas y puede recuperarse después del accidente cerebrovascular. En la penumbra 3, las redes neuronales del cerebro están fragmentadas y parcialmente desactivadas. En la presente solicitud, la penumbra 3 también se denomina tejido cortical parcialmente lesionado. Alrededor de la penumbra 3, se puede identificar opcionalmente la denominada área 4 perilesional, que podría haber conservado parcialmente sus funciones pero que normalmente también se ha visto afectada por el accidente cerebrovascular (afectando por ejemplo a su estructura). Con el propósito de esta divulgación, el área perilesional también se denominará tejido cortical parcialmente lesionado, a menos que se indique específicamente en el texto una diferencia específica entre la penumbra 3 y el área perilesional. Finalmente, alrededor del área cortical neuronal del cerebro afectada por el accidente cerebrovascular, se encuentra el área que permanece completamente intacta estructural y completamente funcional. Esta área se denomina córtex 5 viable o tejido 5 cortical sano.
En cuanto al tejido cortical parcialmente lesionado, se considera que la velocidad de la onda de propagación de la señal eléctrica entre las neuronas de la penumbra 3 y del área 4 perilesional se ve afectada por el accidente cerebrovascular. En general, la velocidad de una onda se puede determinar por la excitabilidad y la conectividad del tejido, que son parámetros asociados con el modelo aplicado para las ondas cerebrales. Más adelante se explicará cómo se pueden definir estos parámetros desde el punto de vista de términos físicos y matemáticos concretos. La lesión tisular posterior al accidente cerebrovascular en la penumbra o el área 4 perilesional crea hipoconectividad y disminuye la velocidad
de propagación de las ondas. Según la presente divulgación, la velocidad de las ondas u otros parámetros de las ondas se pueden recuperar mediante estimulación eléctrica externa.
Las zonas del cerebro 1 pertinentes para la presente divulgación son el área del córtex cerebral. El córtex es la capa externa de materia gris que cubre los hemisferios del cerebro. La capa o córtex típicamente tiene un grosor de 2-3 mm. Las diferentes áreas del córtex reciben diversas entradas sensoriales como la visión, audición y similares, o pueden estar directamente implicadas en funciones como la producción de movimientos oculares o de las extremidades. Las áreas corticales pueden además estar relacionadas con funciones más complejas como la memoria, el lenguaje, la abstracción, la creatividad, la emoción y similares.
Los estudios de la estructura y función del cerebro han revelado la existencia de redes cerebrales complejas y múltiples. En la presente divulgación, los nodos esenciales previamente identificados se refieren a nodos que conectan diferentes redes en virtud de sus numerosas y diversas conexiones (es decir, nodos conectores). Los nodos esenciales se ubican de manera diferente en cada persona. Por este motivo, el modelo según el cual se aplica la estimulación externa se individualiza a las características del sujeto específico y a las necesidades terapéuticas de cada persona. Los nodos neuronales esenciales estimulados se identifican previamente a través de medidas de conectividad estructural y funcional. El procedimiento de estimulación eléctrica externa de esta solicitud y el aparato asociado pueden usarse junto con la participación activa del paciente durante la estimulación externa o pueden usarse mientras el sujeto está en reposo.
Teniendo en cuenta la aplicación específica del tratamiento de la afasia y los ajustes realizados para abordar la estructura compleja del cerebro humano, la presente divulgación está adaptada específicamente para su uso con pacientes humanos. Por tanto, tanto el procedimiento como el aparato se aplican únicamente a seres humanos.
En la presente divulgación, el procedimiento y el aparato se basan en el uso de una matriz 6 de electrodos bidimensionales adaptada para implantarse en la superficie del córtex, como se conoce en la técnica. La matriz 6 de electrodos incluye electrodos 7 para emitir señales eléctricas de estimulación en el córtex y medir ondas eléctricas corticales en el córtex. Además, la posición de al menos algunos de dichos electrodos 7 corresponden respectivamente a nodos neuronales esenciales identificados previamente en el córtex. Esto significa que los electrodos 7 se colocan en áreas seleccionadas del tejido cerebral con respecto a la estructura y funcionalidad del cerebro, así como con respecto a qué parte del cerebro 1 está lesionada y/o parcialmente lesionada. La matriz 6 de electrodos puede integrarse en un material flexible adecuado para cubrir estrechamente la superficie del córtex.
Tanto la Fig. 1 como la Fig. 2 ilustran los electrodos 7 como puntos. Cada punto representa un electrodo 7. Los electrodos se pueden proporcionar en cualquier número y densidad deseados en la superficie del tejido cerebral. La representación esquemática de los electrodos 7 en los dibujos no pretende ser una limitación. Más bien, los dibujos meramente ilustran un número de electrodos necesarios para una fácil comprensión de los principios del procedimiento y aparato descritos.
En referencia a la Fig. 7, el aparato para realizar la estimulación eléctrica del cerebro de la presente divulgación puede incluir un ordenador 20, en el que el ordenador incluye una base de datos 24 que comprende datos 25, en el que los datos 25 están relacionados con modelos del tejido cerebral e incluyen parámetros de entrada pertinentes que se utilizan en las ecuaciones siguientes. Los parámetros de entrada pertinentes pueden ser, por ejemplo, la densidad neuronal K, la velocidad de excitación q, la fuerza de conexión entre neuronas 90 o la distancia de conexión de las neuronas a. El ordenador 2o puede incluir además un código de programa 23 que implemente todas las ecuaciones matemáticas pertinentes. El ordenador 20 puede incluir además un software 22, que puede tener la forma de una interfaz de usuario y/o una aplicación que permita a un operador seleccionar y/o modificar los parámetros de entrada, o seleccionar/modificar las ecuaciones pertinentes que se utilizarán para los cálculos.
La matriz 6 de electrodos puede incluir una unidad 18 de control que acciona los electrodos 7 individualmente y que recibe las señales detectadas desde dichos electrodos 7. La unidad 18 de control puede estar ubicada cerca de los electrodos 7 o en otra ubicación apropiada del paciente. La unidad 18 de control es alimentada por una fuente 17 de potencia, tal como una batería u otra fuente de potencia adecuada.
Tanto la matriz 6 de electrodos como el ordenador 20 incluyen una interfaz 16, 26 de comunicación. Una interfaz 16 de comunicación está asociada con la matriz 6 de electrodos y una interfaz 26 de comunicación está asociada con el ordenador 20, lo que permite la comunicación entre el procesador 21 y la unidad 18 de control. Las interfaces 16, 26 de comunicación permiten la transferencia de señales, datos e instrucciones sobre la forma e intensidad de la señal de estimulación a aplicar por los
electrodos 7. Las interfaces 16, 26 de comunicación pueden comunicarse a través de un enlace 30 de comunicación que puede ser una comunicación cableada o inalámbrica o una combinación de las mismas.
La Fig. 2 ilustra un cerebro 1 que incluye un tejido cortical lesionado y/o parcialmente lesionado (área blanca continua de la Fig. 2). La Fig. 2 muestra los electrodos 7 y las trayectorias de los electrodos pertinentes para la recuperación satisfactoria de la velocidad de las ondas y/u otros parámetros de las ondas.
La Fig. 2 ilustra además que una conexión 10 ejemplar entre un par de nodos neuronales puede haberse perdido debido a un accidente cerebrovascular u otros motivos en el cerebro, dado que la conexión 10 pasa a través del área lesionada y/o parcialmente lesionada, pero la comunicación entre los nodos se recrea mediante la estimulación de los electrodos 7 que se corresponden con estos nodos neuronales como se explica a continuación. Como se muestra, la trayectoria 10 de conexión implica solo la comunicación entre un par de nodos neuronales (representados por dos electrodos 7 de estimulación). Dicha comunicación es la más directa y puede ser satisfactoria en recrear algunas de las funciones cerebrales, especialmente cuando el área cerebral lesionado no es grande.
En la presente divulgación se contemplan otras diversas configuraciones de estimulación.
Por ejemplo, la trayectoria 11 de estimulación de la Fig. 2 entre dos nodos pasa a través del área cortical lesionado a través de un número de electrodos 7 intermedios. La trayectoria 11 de estimulación puede conllevar la reconstrucción de la propagación de las ondas entre sus puntos finales aplicando señales de estimulación a todos los electrodos 7 de la trayectoria 11 y detectando ondas corticales mediante dichos electrodos 7, para recuperar al menos un parámetro de las ondas corticales como se explica a continuación. En algunos casos, la vía 11 de estimulación puede conllevar la recuperación de las funciones cerebrales solo temporalmente, dado que el tejido cerebral lesionado no permite recuperar todas las funciones por completo. En determinados casos, por lo tanto, la vía 11 de estimulación puede usarse con el propósito de ayuda neuronal, es decir, para usar los electrodos 7 de forma permanente para sustituir las funciones cerebrales normales.
La ventaja de la vía 11 de estimulación es que la conexión entre dos puntos finales (nodos neuronales representados por dos electrodos 7 de punto final) se puede seleccionar a través de una vía específica según las necesidades de cada persona. Así, la señal de estimulación puede diseñarse con un propósito concreto según las necesidades especiales de cada individuo. En el nivel práctico, la matriz 6 de electrodos puede contener cualquier densidad apropiada de electrodos 7. El número de electrodos 7 en la matriz 6 se puede seleccionar de modo que cada nodo neuronal esté cubierto por un electrodo 7 asociado. Sin embargo, durante la aplicación de la señal de estimulación externa, solo se pueden activar algunos de los electrodos (generando así la señal eléctrica externa), por ejemplo, solo se pueden activar aquellos electrodos 7 que se sitúan a lo largo de una trayectoria 11 específica. Sin embargo, si se selecciona otra trayectoria, se pueden activar en su lugar otros electrodos 7 que representan otra trayectoria.
De forma alternativa al planteamiento anterior, el portador (tal como un material flexible para cubrir estrechamente la superficie del córtex) de la matriz 6 de electrodos puede contener solo los electrodos 7 que representan la trayectoria 11. Por lo tanto, el cerebro no está cubierto con electrodos 7 que no se utilizan.
La vía de estimulación 12 puede usarse de manera similar como la trayectoria 11 de estimulación, pero crea una vía de retransmisión alrededor del tejido cortical lesionado y/o parcialmente lesionado, lo que permite recuperar de forma permanente la comunicación entre sus puntos finales al menos en algunos casos.
Una vez que dos nodos esenciales se vuelven a conectar mediante estimulación, es posible una comunicación de nodos neuronales por emparejamiento en el córtex.
La vía 13 de estimulación ilustra la comunicación emparejada entre dos grupos de electrodos 7, cada grupo que corresponde a un nodo neuronal en el córtex.
La distribución de la densidad local u de neuronas activadas en el punto x y en el tiempo t en el tejido cortical sano del córtex se puede expresar como:
Además, g u ( v K - u ) ' H ( v W a l f } ') representa el índice de activación neuronal y S(u)H(W;(1)) representa el índice de inactivación de neuronas. Aquí, K es la densidad neuronal total, K-u es la densidad de las neuronas no activadas, g y H son
funciones de crecimiento positivas, en particular, estas funciones pueden ser funciones sigmoideas.
iy.( 
1)(u)
es la intensidad de la señal de
inactivación en el tejido cortical sano. Ambas y 1 dependen de la distribución de densidad local de las neuronas activadas en el espacio y en el tiempo. Más en particular,
W (1)(u)
y se pueden expresar (sin utilizar el superíndice (1)) como:
Aquí y son funciones de conectividad, Sa y Si son las funciones de respuesta de las neuronas, qa y qi son las velocidades de propagación de la señal en los axones de las neuronas (velocidades de excitación). Con respecto a las ecuaciones (1), (2) y (3) se pueden considerar diversos casos particulares y matemáticamente limitantes donde las funciones g y H son lineales, o donde las funciones de conectividad neuronal ^ a y ^ i tienen distribuciones reducidas, o donde las velocidades de excitación (velocidades de propagación de la señal) qa y qi son grandes, o donde las funciones de respuesta neuronal Sa y Si (que se describirán con más detalle a continuación) se aproximan mediante funciones sigmoideas o escalonadas constantes, o donde los términos integrales se expanden dando lugar a la aparición del término de difusión en la ecuación. Se puede considerar un sistema de ecuaciones similar a la ecuación (1) para diferentes subpoblaciones de neuronas.
El modelo matemático presentado en la divulgación actual describe la propagación de diversos tipos de ondas (ondas en general indicadas por un número de referencia 8), que incluyen las ondas monótonas y ondas oscilantes (véase la Figura 3 que ilustra una onda monótona y véase la Figura 4 que ilustra una onda oscilante). El modelo describe oscilaciones de alta frecuencia con modulaciones de amplitud de baja frecuencia en forma de ondas periódicas (Figura 5) que se asemejan a las registradas experimentalmente en las matrices de electrodos (véanse los resultados experimentales ilustrados en la Figura 6).
La densidad local v de las neuronas activadas en el punto x y tiempo t en el tejido cortical lesionado o parcialmente lesionado se puede expresar como:
inactivación en el tejido cortical lesionado. Además, el valor de la señal de estimulación externa se puede expresar como dado por una función de estimulación I(x,t). El procesador de ordenador puede configurarse para calcular numéricamente la función de estimulación l(x,t), aplicada a cada electrodo 7 en el teido 3,4 cortical lesionado en el teido 5 cortical sano:
para recuperar las propiedades totales de propagación de ondas entre los nodos neuronales del córtex lesionado en las propiedades correspondientes del tejido cortical sano, que incluyen la velocidad, frecuencia y amplitud de las ondas.
La función de conectividad ^ utilizada en las ecuaciones (2) y (3) representa el parámetro físico de conectividad entre los nodos neuronales en el tejido cortical del cerebro. La función de conectividad ^ se puede definir, por ejemplo, como una simple función constante escalonada:
donde 90 es un parámetro que caracteriza las fuerzas de conexión entre los nodos neuronales y donde a es un parámetro que caracteriza la distancia de conexión entre neuronas, es decir, una distancia a través de la cual puede tener lugar la conexión entre dos neuronas. La función escalonada es una aproximación simple y genérica de la interacción no local que se produce entre los nodos neuronales. Se pueden seleccionar otras funciones del modelo para la función de conectividad 9 en lugar de la función escalonada constante, por ejemplo, una función exponencial decreciente 9 = 90 exp(-r|x|), con 90 y r que tienen un significado similar a la 90 y a anteriores. La función de conectividad 9 también puede ser una suma de dos o más funciones exponenciales, donde estas funciones también se basarán en parámetros que caracterizan la fuerza de conexión y la distancia de conexión. Parámetros como 90, a, o r mencionados anteriormente pueden basarse en datos experimentales indicativos del intervalo de fibras neuronales y/o la fuerza de las conexiones inhibitorias/excitatorias. Dependiendo del modelo, la función de conectividad puede ser una función unidimensional o multidimensional como, por ejemplo, bidimensional o tridimensional.
Otra característica del tejido cerebral es la excitabilidad de los ganglios. La excitabilidad es fundamentalmente equivalente a la capacidad de los nodos neuronales para transmitir señales eléctricas. La señal eléctrica se desplaza a través del tejido cortical en forma de ondas eléctricas. Las ondas eléctricas se caracterizan por su velocidad c que se puede determinar mediante la fórmula aproximada:
En cuanto al proceso de aplicación de la estimulación externa, el procesador 21 se puede configurar para aplicar la señal de estimulación externa determinada por la función de estimulación I(x,t) que tiene el valor más bajo de la estimulación total
= o el valor más bajo de la estimulación máxima = máx I(x,t). Este es un problema de control óptimo que ofrece la oportunidad de reconstruir la solución u(x,t) no para todos los valores de x, sino solo en uno o varios puntos x i, es decir, para uno o varios electrodos asociados con las ubicaciones x i.
El procesador 21 puede configurarse además para determinar el valor de la señal de estimulación externa (definida por la función de estimulación I(x,t)) para recuperar la velocidad de la onda determinada por la fórmula
en el caso particular donde la función de respuesta de activación neuronal Sa se aproxima por una función escalonada, bajo la condición ay > 2. Aquí a caracteriza la excitabilidad del tejido y y caracteriza la conectividad del tejido. Si se cumple la condición, se asegura que el modelo matemático genera valores positivos de la velocidad de la onda, que es la condición necesaria para que el modelo dé resultados realistas.
a es el parámetro que caracteriza la excitabilidad del tejido cortical del tejido cortical sano y y es un parámetro que indica la conectividad del tejido cortical. Por tanto, el valor positivo de la velocidad de la onda solo se puede conseguir si el producto de la excitabilidad del tejido y la conectividad es suficientemente grande. Las expresiones anteriores también implican que la excitabilidad y la conectividad del tejido cortical aumentan la velocidad de la onda de las ondas eléctricas que se propagan a través del tejido cortical como señal.
Claims (12)
1. Un aparato para la estimulación eléctrica del cerebro que comprende:
- Una matriz de electrodos bidimensional configurada para implantarse en la superficie del córtex de una persona, dicho córtex que tiene nodos neuronales esenciales previamente identificados e incluye tejido cortical sano y tejido cortical lesionado y/o parcialmente lesionado, la matriz de electrodos que cubre al menos parte de dicho tejido cortical sano y dicho tejido cortical lesionado y/o parcialmente lesionado, dicho tejido cortical lesionado y/o parcialmente lesionado que tiene al menos un parámetro de ondas corticales que es diferente del parámetro del tejido cortical sano, dicho al menos un parámetro que es uno de velocidad de propagación, amplitud y frecuencia de las ondas corticales, dicha matriz de electrodos que incluye electrodos para emitir señales eléctricas de estimulación en el córtex y medir ondas eléctricas corticales en el córtex;
- un procesador que se comunica con los electrodos y configurado para:
- en base a las señales medidas, evaluar dicho al menos un parámetro de ondas corticales entre al menos un primer electrodo y al menos un segundo electrodo correspondientes respectivamente a un primer nodo neuronal esencial identificado previamente y un segundo nodo neuronal esencial identificado previamente en el córtex, dicho primer nodo esencial identificado previamente y el segundo nodo esencial identificado previamente que están situados de manera que una línea rectilínea que une el primer nodo esencial identificado previamente y el segundo nodo esencial identificado previamente cruza dicho tejido cortical lesionado y/o parcialmente lesionado;
- calcular en tiempo real las señales de estimulación necesarias para mantener dicho al menos un parámetro de ondas corticales en un intervalo predeterminado entre dicho primer electrodo y dicho segundo electrodo y aplicar dichas señales de estimulación calculadas a los electrodos,
caracterizado por que el procesador está configurado para aplicar un modelo matemático de propagación de ondas corticales, de manera que cada señal de estimulación está determinada por una función de estimulación I(x,t), y
en el que el procesador de ordenador está configurado para calcular numéricamente la función de estimulación I(x,t), aplicada a cada electrodo (7) en el tejido cortical lesionado y/o arcialmente lesionado en el teido cortical sano resolviendo numéricamente la ecuación:
donde K es una densidad neuronal total, K-u es una densidad de las neuronas no activadas, Wa es una intensidad de la señal de activación, Wi es una intensidad de señal de inactivación, el superíndice (1) corresponde al tejido sano y el superíndice (2) al tejido lesionado o parcialmente lesionado, g(u) y H(W) funciones crecientes de dicha intensidad de la señal de activación, (K-u)Wa representa un índice de activación neuronal y uWi representa un índice de inactivación de neuronas.
2. El aparato según la reivindicación 1, en el que dicho intervalo predeterminado corresponde a valores de dicho al menos un parámetro de ondas corticales en el tejido cortical sano.
3. El aparato según la reivindicación 1 o la reivindicación 2, en el que dicho procesador está configurado para calcular dichas señales de estimulación para el primer electrodo y el segundo electrodo y aplicar dichas señales de estimulación calculadas al primer electrodo y al segundo electrodo.
4. El aparato según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes que comprende además al menos un tercer electrodo, en el que dicho al menos un parámetro de ondas corticales se mantiene entre dicho primer electrodo y el segundo electrodo a través del al menos un tercer electrodo, y en el que dicho procesador está configurado para:
- en base a las señales medidas de dicho primer electrodo, segundo electrodo y al menos un tercer electrodo, evaluar dicho al menos un parámetro de ondas corticales entre pares de electrodos contiguos entre dicho primer electrodo, segundo electrodo y al menos un tercer electrodo;
- calcular dichas señales de estimulación para dicho primer electrodo, segundo electrodo y al
menos un tercer electrodo,
y aplicar dichas señales de estimulación calculadas a dicho primer electrodo, segundo electrodo y al menos un tercer electrodo.
5. El aparato según la reivindicación 4, en el que dicho al menos un tercer electrodo incluye una pluralidad de terceros electrodos.
6. El aparato según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el aparato está configurado para estimular simultáneamente un par de electrodos seleccionados asociados con un par específico de nodos neuronales.
7. El aparato según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que dicho procesador está configurado para calcular dichas señales de estimulación utilizando un modelo matemático de propagación de ondas corticales.
8. El aparato según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el procesador está configurado para aplicar una señal de estimulación externa determinada por la función de estimulación l(x,t), que tiene el valor más bajo de la estimulación total.
9. El aparato según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el procesador está configurado para aplicar una señal de estimulación externa determinada por la función de estimulación I(x,t) que tiene el valor más bajo de estimulación máxima = máx I(x,t).
10. El aparato según una cualquiera de las reivindicaciones 8 a 9, en el que el procesador está configurado para determinar el valor de la señal de estimulación externa determinada por la función de estimulación I(x,t), de manera que el proceso determina la velocidad de la onda en el tejido cortical según la fórmula
donde a caracteriza la excitabilidad del tejido cortical y y caracteriza la conectividad del tejido cortical.
11. El aparato según una cualquiera de las reivindicaciones 8 a 10, en el que la señal de estimulación determinada por la función de estimulación I(x,t), es una función creciente de la velocidad de la onda c en el tejido cortical.
12. El aparato según una cualquiera de las reivindicaciones 8 a 11, en el que el procesador está configurado para determinar si la condición de
ay > 2
se satisface en el tejido cortical,
donde a es un parámetro que caracteriza la excitabilidad del tejido cortical del tejido cortical sano y y es un parámetro que indica la conectividad del tejido cortical.
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| EP18306123.3A EP3610916B1 (en) | 2018-08-17 | 2018-08-17 | An apparatus for closed-loop model-based electrical brain stimulation |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| ES2882087T3 true ES2882087T3 (es) | 2021-12-01 |
Family
ID=63405147
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| ES18306123T Active ES2882087T3 (es) | 2018-08-17 | 2018-08-17 | Un aparato para la estimulación eléctrica del cerebro basada en modelos de circuito cerrado |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US11878170B2 (es) |
| EP (1) | EP3610916B1 (es) |
| CA (1) | CA3107986A1 (es) |
| ES (1) | ES2882087T3 (es) |
| WO (1) | WO2020035536A1 (es) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US12285182B2 (en) | 2018-10-10 | 2025-04-29 | Innova Vascular, Inc. | Devices and methods for removing an embolus |
| CN114758774B (zh) * | 2022-02-23 | 2023-01-03 | 北京科技大学 | 基于丘脑皮层神经计算模型的阿尔茨海默病演化趋势分析系统 |
Family Cites Families (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US9248280B2 (en) * | 2007-11-02 | 2016-02-02 | Boston Scientific Neuromodulation Corporation | Closed-loop feedback for steering stimulation energy within tissue |
| US8473063B2 (en) * | 2010-09-22 | 2013-06-25 | Medtronic, Inc. | Method and apparatus for event-triggered reinforcement of a favorable brain state |
| US8831733B2 (en) * | 2012-07-16 | 2014-09-09 | California Institute Of Technology | Brain repair using electrical stimulation of healthy nodes |
| WO2016023126A1 (en) * | 2014-08-14 | 2016-02-18 | Functional Neuromodulation, Inc. | Brain stimulation system including multiple stimulation modes |
| US11147971B2 (en) | 2016-06-24 | 2021-10-19 | The Regents Of The University Of California | Systems methods and devices for closed loop stimulation to enhance stroke recovery |
-
2018
- 2018-08-17 ES ES18306123T patent/ES2882087T3/es active Active
- 2018-08-17 EP EP18306123.3A patent/EP3610916B1/en active Active
-
2019
- 2019-08-14 US US17/269,156 patent/US11878170B2/en active Active
- 2019-08-14 WO PCT/EP2019/071835 patent/WO2020035536A1/en not_active Ceased
- 2019-08-14 CA CA3107986A patent/CA3107986A1/en active Pending
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CA3107986A1 (en) | 2020-02-20 |
| EP3610916A1 (en) | 2020-02-19 |
| US20210322773A1 (en) | 2021-10-21 |
| WO2020035536A1 (en) | 2020-02-20 |
| EP3610916B1 (en) | 2021-04-28 |
| US11878170B2 (en) | 2024-01-23 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US12208264B2 (en) | System for variably configurable, adaptable electrode arrays and effectuating software | |
| ES2699442T3 (es) | Sistema para el tratamiento de la disfunción neuromotora | |
| ES2738382T3 (es) | Valoración de neuro-estimulación usando alternancias de onda T | |
| US20200289815A1 (en) | Method and System For Physiological Target Localization From Macroelectrode Recordings and Monitoring Spinal Cord Function | |
| US20160361534A9 (en) | Variably configurable, adaptable electrode arrays and effectuating software, methods, and systems | |
| US20170291044A1 (en) | Ultrasound deep brain stimulation method and system | |
| US10543367B2 (en) | Transcranial burst electrostimulation apparatus and its applications | |
| US20150148710A1 (en) | Ultrasound Modulation of the Brain for Treatment of Stroke, Brain Injury, and Other Neurological Disorders | |
| ES2808212T3 (es) | Dispositivo de neuroestimulación multisegmental invasiva efectiva | |
| KR20110123831A (ko) | 자기 자극 치료법의 유효성을 확인하기 위한 의사 자기 자극기 | |
| ES2710343T3 (es) | Dispositivo para tratar pacientes mediante estimulación cerebral | |
| US20160184599A1 (en) | Regeneration of nerve fibers | |
| TWI573606B (zh) | 經顱陣發型電刺激裝置及其應用 | |
| WO2018071426A1 (en) | System for variably configurable, adaptable electrode arrays and effectuating software | |
| Danilov et al. | Emerging noninvasive neurostimulation technologies: CN-NINM and SYMPATOCORECTION | |
| ES2882087T3 (es) | Un aparato para la estimulación eléctrica del cerebro basada en modelos de circuito cerrado | |
| EP3106202A1 (en) | Transcranial burst electrostimulation apparatus | |
| ES2729726T3 (es) | Dispositivo para una neuroestimulación invasiva efectiva en dos fases | |
| WO2023073722A1 (en) | System and method for electrically stimulating tissue | |
| Tyler | Peripheral nerve stimulation | |
| Xie et al. | Non-invasive temporal interference electrical stimulation for spinal cord injury rehabilitation: A simulation study | |
| Sandurkov et al. | Parameters for magnetic stimulation of the phrenic nerve | |
| WO2006121371A1 (fr) | Stimulation de tissus biologiques au moyen d'un traitement magneto-acoustique | |
| Danner et al. | Finite element models of transcutaneous spinal cord stimulation | |
| Kispál et al. | Abstract# 26: Transcranial, closed-loop termination of temporal lobe seizures: Intersectional Short-Pulse (ISP) stimulation |