神經工程

神經工程領域是從計算神經科學、實驗神經科學、臨床的神經病學、電子工程學和活神經組織的信號處理等領域汲取養分，並包含了機器人學、計算機工程學、組織工程學、材料科學和納米技術等學科中的一些內容。

基本介紹

• 中文名：神經工程
• 外文名：neuroscience
• 學科：神經科學
• 套用領域：廣泛

神經工程定義

在物理科學中，神經工程學是新興的、用工程技術研究中樞和周圍神經系統的功能並操作其行為的交叉學科研究領域。

研究方向

神經工程的兩大目標是通過神經系統和人造設備間的溝通來修復和增強人體的功能。當前的研究主要著眼於：

* 探明感覺系統和運動系統編碼和處理信息的機制

* 定量研究這些機制在病理的狀態下發生的變化

* 研究如何通過腦機接口、神經修復等途徑操縱這些正常和病變的機制

神經工程是一個新興學科，相關的文獻資料較為有限，但正在迅速增長中。第一份專門針對神經工程學的學術期刊是2004年創刊的神經工程學雜誌（The Journal of Neural Engineering）。最早產生的專門針對該領域的學術會議是2003年於義大利卡普里島舉辦的首屆國際神經工程學大會。

涉及領域

近年來，由於細胞生物學、實驗及臨床神經科學、生物科技及生物醫學工程技術的緊密結合與發展，神經工程 (Neural Engineering or Neuroengineering) 已逐漸成為一門新興科學及領域。神經工程系將生物醫學工程技術與方法，藉由神經細胞再生與組織特性評估及神經與電子設備間接口等方法的研究與發展，探索中樞及外圍神經系統的功能及行為表現，以了解中樞神經系統及周邊神經系統的感覺 ( Sensory ) 或運動 ( Motor ) 控制訊息 ( Command ) 的活化 ( Activation )、傳遞 ( Propagation )及神經調控( Modulation )功能的過程，並期望藉由這樣的成果協助失能者達成回復 ( Restoration ) 及增進 ( Augmentation ) 功能。神經工程研究的範疇相當廣泛，其研究內容從基礎的神經電生理、神經模組控制、神經機械系統控制與神經再生原理探討，接著由神經科學的知識為基礎，再進一步了解神經接口、神經假體、神經影像與分子與感測神經磁場感應等研究方向的原理與套用。因此，可以理解神經工程是屬於結合神經科學與醫學電子、組織工程、生醫電子、生醫光電及信息處理等工程技術的一跨領域整合性的研究。　再進一步針對套用層次的特點進行討論後，可以了解神經工程的主要研究目標之一，是期望能恢復失去或受損的神經功能。也因此，神經工程在這方面的研究含括了設計、分析和測試神經細胞及神經系統的再生及修復功能，並納入神經細胞及系統與人造電子系統的功能性接口等研究。依神經工程結構及套用特質，大致可將之分為神經系統、神經組織及神經細胞等三個層次：(1)神經系統層次 (Nervous System Level)：以神經系統調節 ( Systematic Modulation ) 為主的神經假體 (Neural Prostheses)；(2)神經組織層次 (Neural Tissue Level)：以神經束之選擇性刺激或感測調控(selective sensing/modulation)為主的之神經界面(Neural Interfacing)；及(3)神經細胞層次 (Neurocellular Level)：神經元界面 (Neuronal Interfacing)。每種系統有其一定的基礎與套用範圍，其中，在神經接口及神經元接口較屬於研究的層級，在持續發展及整合下，神經假體利用界面研究的成果，或獨立設計套用於取代因神經系統受損所引起的運動、知覺或認知功能缺失之臨床實務套用，其基本原理在利用受損後，仍具有殘餘的運動或感覺神經系統，配合其它感測器或套用調變的電刺激，使個案能重新協助建立或增進感官知覺、運動或認知功能。

由於本學科發展的時間並不長，至今有關神經工程學尚沒有一個具有權威性的定義。但是，對神經工程的研究領域和範疇，大多數學者是有共識的。一般認為，神經工程是從實驗、計算及理論等不同的方面研究神經系統的功能，並對神經系統的功能缺失與異常等問題尋找新的解決方法。

神經工程的研究至少包含了如下領域：腦－機接口 （brain-machine (computer) interface）、神經接口（neural interfacing）、神經技術（neurotechnology）、神經電子學（neuroelectronics）、神經調節（neuromodulation）、神經修復（neural prostheses）、神經控制（neural control）、神經康復 （neuro-rehabilitation）、神經診斷（neuro-diagnostics）、神經治療（neuro-therapeutics）、神經機械系統（neuromechanical systems）、神經機器人（neurorobotics）、神經信息學（neuroinformatics）、神經影像學（neuroimaging）、人工與生物神經迴路（neural circuits: artificial and biological）、神經形態工程（neuromorphic engineering）、神經組織再生（neural tissue regeneration）、神經信號處理（neural signal processing）、理論與計算神經科學（theoretical and computational neuroscience）、系統神經科學（systems neuroscience）、轉化神經科學（translational neuroscience）等。

神經工程學除了包含許多基礎科學研究的門類外，也包括了許多與臨床醫學相關的領域，特別是神經功能異常疾病的診斷、治療與康復。很顯然，神經工程與傳統的神經科學之間既有密不可分的聯繫，也有明顯差異。神經工程更強調將基礎神經科學研究的成果套用到實踐中去。

依功能性分類

感覺神經

感覺神經假體裝置

感覺系統(Sensory Prostheses)的主要功能在於接收環境中的物理能量，如聲波及光波，提供人們執行功能性及具目的性日常生活活動過程中所需要的環境訊息。因此，當感覺系統出現功能性的損傷，無法將環境訊息轉換為確實可用的生理訊號時，利用接受器（如麥克風或微型攝影機）接收感覺訊息後，藉由換能器將物理能量轉換成電刺激訊號，刺激感覺神經或與某感覺有關之大腦皮質，達到功能性目的。神經假體在聽覺障礙者的聽覺恢復上，可利用人工耳蝸 ( Cochlear implant) 刺激聽覺神經路徑；而對於視覺障礙者，同樣可利用人工視網膜 (Artificial Retina) 及視覺晶片 (Vision Chip) 給予視覺神經路徑或視覺皮質特定時序之電刺激，實際套用於代償人類視覺能力的缺失。

動作神經

動作神經假體裝置

動作系統(Motor Prostheses)同樣扮演著與外在環境互動的功能。然而，動作系統在人們執行日常生活的活動時，執行或輸出經由大腦處理後所計畫產生的功能性活動。當動作神經系統產生問題時，將可導致上肢手部動作能力不足，無法取物或操作手部活動；或是下肢無法產生足夠的力量，造成承重或行走能力上的問題。因此，當日常生活中的動作能力缺失時，協助個案依其所願，達成動作輸出，就成為回復或代償動作能力的重要考慮。動作神經假體的設計可分為兩類，一為藉由功能性神經肌肉電刺激 (Functional neuromuscular stimulation) 的方式，以經過設計的電刺激時序活化肌肉系統，使得個案可以在系統的協助下，利用自己的肢體產生動執行功能性活動，或與環境互動所需要的動作；另一類則是擷取大腦皮質的腦電訊號，經過訊號分析截取特徵訊息，並結合機器人控制系統，以機器手臂或機器輔助設備，產生功能性活動所需要的動作，以機器人系統執行動作，提供代償動作的協助，這兩類的神經假體設備，皆已可套用於人類動作能力的回覆及代償。

大腦皮質

大腦皮質神經假體裝置

當大腦皮質的神經細胞因為腦血管疾患、外力傷害或是神經退化性疾病造成損傷時，將可能影響大腦的功能，導致如認知、記憶、聽語或動作執行功能上的缺失或困難，造成腦內訊息的傳遞或是功能執行上的問題，進而影響日常生活功能的執行及生活質量。針對大腦功能的缺失，套用於代償腦部功能的神經假體，在設計上則進一步以仿生系統 ( Biomimetic System )，取代受損的腦部神經核，重建腦部功能。仿生性系統包含與固有的腦部組織相聯繫，接收輸入訊息的神經元接口，及進行輸出功能的另一組神經元界面。在套用上，利用多電極式晶片，針對損傷區域所需要的功能，提供大腦皮質運動神經元適當的電刺激，以誘發複雜的動作形態，增進伸探及抓握動作能力；以仿生生物晶片，針對大腦特定區域的功能進行設計，再以植入晶片的方式，使得該晶片進一步取代受損的神經區域所扮演的生理功能，這方面的實際套用，則是針對海馬回 ( Hippocampus) 所扮演的功能性角色，建立人工海馬回 ( Artificial Hippocampus ) 的套用成效最為顯著。然而，由於植入晶片的過程中涉及高難度腦部手術，因此，這類晶片的發展仍然在動物實驗的階段。

隨著生物科技相關技術及專業密切整合，使得神經工程相關的技術及研究，逐漸套用於實際協助失能者回復或代償功能性缺失。目前已發展建立的神經假體裝置，主要研究套用方向為植入式生醫微系統 ( Implantable Biomicrosystem ) 為主，經由各式的感測器及致動器整合，構成監測型及刺激型植入式微系統，藉由無線傳輸技術傳出體外，將人體內的各項生理參數或是刺激指令，用以治療患者缺失。當各項神經假體裝置成熟後，各系統整合用於協助多項失能者功能，改善日常生活功能及生活質量，相信將指日可待。

神經再生研究

《中國神經再生研究》為英文版雜誌，以國際通用語言研究最前沿、最熱點的神經再生問題。創刊起點高，評估論文研究成果的學術標準高，對論文語言表述水平的要求高。

期刊簡介

宗旨

中國神經再生研究（英文版）2006年創刊，面向國際、立足國際，以辦好一本國際神經再生學科界專家公認的專業性學術期刊為工作目標，主要發表神經再生領域基礎及套用基礎研究方面的學術文章。

出版

2009年本刊重點出版對神經損傷修復過程中原位神經幹細胞以及移植的神經幹細胞作用機制的研究，出版神經組織工程、神經退行性疾病組織形態學變化以及中醫藥對神經細胞、神經組織再生過程中生理、病理結構變化影響的相關研究文章。面向國際，立足國際，關注全球範圍內具有創新性的抑制、促進或影響神經細胞、神經組織再生結構變化相關機制的研究，關注由此而發生的一系列功能變化及其相互關係。

感興趣神經解剖學、病理學、生理學、生物化學、藥理學、免疫學、發育學等來自多學科、多層面的題材，感興趣發表以基礎實驗性研究為主的揭示大腦皮質、海馬、松果體、神經膠質細胞、脊髓神經元、周圍神經元以及運動和感覺神經損傷與再生的研究原著，對有助於認識神經再生正常和異常機制的臨床類文章，如罕見病例報告、調查分析等也可納入範圍。

收錄

科學引文索引（SCI）

2006年被SCI引文庫收錄8篇

2008年1月至2008年7月被SCI收錄文章188篇

美國生物學文獻資料庫（BIOSIS）

美國《化學文摘》（CA）

荷蘭《醫學文摘庫/醫學文摘》（EM）

波蘭《哥伯尼索引》（IC）

中國英文版科技期刊資料庫(統計源期刊)

中國科學引文資料庫（核心期刊）

2007年被CA收錄247篇，被EM收錄173篇

2012年6月SCI公布NRR雜誌影響因子為0.216。

相關文章

中國神經再生研究(英文版) 2013, Vol. 8 Issue (3): 270-276 DOI: 10.3969/j.issn.1673-5374.2013.03.010

篩查診斷社區老年痴呆的人工神經網路模型

Back propagation artificial neural network for community Alzheimer’s disease screening in China

摘要：

通過現場抽樣調查納入符合中國精神疾病分類診斷標準的社區老年性痴呆患者，採用原子吸收法檢測其全血中宏、微量元素含量，放射免疫分析法檢測其相關神經遞質含量；採用SPSS13.0建立資料庫，利用Clementine12.0軟體進行反向傳播人工神經網路模擬。結果發現以日常生活活動總分、肌酐、5-羥色胺、年齡、多巴胺和鋁為輸入變數擬合的反向傳播人工神經網路在老年性痴呆的預測中ROC曲線下面積為0.929（95%CI：0.868-0.968），靈敏度為90.00%、特異度為95.00%、準確度為92.50%。提示通過上述6個變數建立的反向傳播人工神經網路在篩選診斷社區老年性痴呆中效果理想。
　　

研究亮點：

• 1.實驗利用流行病學和模糊數學的原理與方法，以日常生活活動總分、肌酐、5-羥色胺、年齡、多巴胺和鋁為輸入層變數，建立了簡便、快速、客觀、穩定且適應於社區老年性痴呆篩選診斷的反向傳播人工神經網路模型。
  2.通過模型擬合和反覆訓練，獲得一個穩定且有實用價值的阿爾茨海默病的診斷方法。