Нейротехнология включает в себя любой метод или электронное устройство, которое взаимодействует с нервной системой для мониторинга или модуляции нейронной активности. [1] [2]
Общие цели разработки нейротехнологий включают использование показаний нейронной активности для управления внешними устройствами, такими как нейропротезы , изменение нейронной активности посредством нейромодуляции для восстановления или нормализации функций , пострадавших от неврологических расстройств [3] или увеличения когнитивных способностей . [4] Помимо терапевтического или коммерческого использования, нейротехнологии также представляют собой мощные исследовательские инструменты для продвижения фундаментальных знаний в области нейробиологии . [5] [6] [7] [8]
Некоторые примеры нейротехнологий включают глубокую стимуляцию мозга , фотостимуляцию на основе оптогенетики и фотофармакологии , транскраниальную магнитную стимуляцию , транскраниальную электрическую стимуляцию и интерфейсы мозг-компьютер , такие как кохлеарные имплантаты и имплантаты сетчатки .
Область нейротехнологий существует уже почти полвека, но достигла зрелости только в последние двадцать лет. Появление методов визуализации мозга произвело революцию в этой области, позволив исследователям напрямую контролировать деятельность мозга во время экспериментов. Практику нейротехнологий можно найти в таких областях, как фармацевтическая практика, будь то лекарства от депрессии, сна, СДВГ или антиневротики, сканирование рака, реабилитация после инсульта и т. д.
Многие специалисты в этой области стремятся контролировать и использовать больше того, что делает мозг и как он влияет на образ жизни и личность. Обычные технологии уже пытаются это сделать; такие игры, как BrainAge , [9] и программы вроде Fast ForWord [10] , направленные на улучшение функций мозга, являются нейротехнологиями.
В настоящее время современная наука может отображать практически все аспекты работы мозга, а также контролировать степень его функции. Это может помочь контролировать депрессию , чрезмерную активность, лишение сна и многие другие состояния. Терапевтически это может помочь улучшить координацию движений у пациентов, перенесших инсульт , улучшить функцию мозга, уменьшить эпилептические эпизоды (см. эпилепсию ), улучшить состояние пациентов с дегенеративными двигательными заболеваниями ( болезнь Паркинсона , болезнь Хантингтона , БАС ) и даже помочь облегчить восприятие фантомной боли . [11] Достижения в этой области обещают множество новых усовершенствований и методов реабилитации для пациентов с неврологическими проблемами. Революция в области нейротехнологий породила инициативу «Десятилетие разума» , стартовавшую в 2007 году. [12] Она также предлагает возможность раскрыть механизмы, посредством которых разум и сознание возникают из мозга.
Глубокая стимуляция мозга в настоящее время используется у пациентов с двигательными расстройствами для улучшения качества жизни пациентов. [13]
Транскраниальная ультразвуковая стимуляция (ТУС) — это метод, использующий ультразвук для модуляции нейронной активности в головном мозге. Это новая методика, которая показала свои терапевтические возможности при различных неврологических заболеваниях. [14]
Транскраниальная магнитная стимуляция (ТМС) — это метод воздействия магнитных полей на мозг для управления электрической активностью в определенных участках мозга. [15] Этой области исследований в настоящее время уделяется большое внимание из-за потенциальных преимуществ, которые могут быть получены от лучшего понимания этой технологии. [16] Транскраниальное магнитное движение частиц в мозге открывает перспективы для нацеливания и доставки лекарств, поскольку исследования показали, что это неинвазивно для физиологии мозга. [17]
Транскраниальная магнитная стимуляция — относительно новый метод изучения функционирования мозга и используется во многих исследовательских лабораториях, специализирующихся на поведенческих расстройствах, эпилепсии , посттравматическом стрессовом расстройстве , мигрени , галлюцинациях и других расстройствах. [16] В настоящее время повторяющаяся транскраниальная магнитная стимуляция исследуется, чтобы выяснить, можно ли сделать положительные поведенческие эффекты ТМС более постоянными. Некоторые методы сочетают ТМС и другой метод сканирования, например ЭЭГ, для получения дополнительной информации об активности мозга, например о реакции коры. [18]
Транскраниальная стимуляция постоянным током (TDCS) — это форма нейростимуляции , при которой используется постоянный слабый ток, подаваемый через электроды, расположенные на коже головы. Механизмы, лежащие в основе эффектов TDCS, до сих пор полностью не изучены, но недавние достижения в области нейротехнологий, позволяющие оценивать электрическую активность мозга in vivo во время TDCS [19] , обещают улучшить понимание этих механизмов. Исследования по использованию TDCS на здоровых взрослых показали, что TDCS может повысить когнитивные способности при выполнении различных задач, в зависимости от стимулируемой области мозга. TDCS используется для улучшения языковых и математических способностей (хотя было также обнаружено, что одна из форм TDCS препятствует обучению математике), [20] концентрации внимания, решения проблем, памяти, [21] координации и облегчения депрессии [22] [23] [ 24] и хронической усталости. [25] [26]
Электроэнцефалография (ЭЭГ) — это метод неинвазивного измерения активности мозговых волн. Вокруг головы и скальпа размещается несколько электродов и измеряются электрические сигналы. [27] Клинически ЭЭГ используется для изучения эпилепсии, а также инсульта и наличия опухолей в головном мозге. Электрокортикография (ЭКоГ) основана на аналогичных принципах, но требует инвазивной имплантации электродов на поверхность мозга для более чувствительного измерения локальных потенциалов поля или потенциалов действия.
Магнитоэнцефалография (МЭГ) — еще один метод измерения активности мозга путем измерения магнитных полей, возникающих в результате электрических токов в мозге. [28] Преимущество использования МЭГ вместо ЭЭГ заключается в том, что эти поля очень локализованы и позволяют лучше понять, как конкретные локусы реагируют на стимуляцию или происходит ли чрезмерная активация этих областей (как при эпилептических припадках).
Существуют потенциальные возможности использования ЭЭГ и МЭГ, например, для составления графиков реабилитации и улучшения после травм, а также для тестирования нервной проводимости в определенных областях у больных эпилепсией или пациентов с расстройствами личности. ЭЭГ сыграла фундаментальную роль в понимании покоя мозга во время сна. [27] ЭЭГ в реальном времени рассматривалась для использования при обнаружении лжи . [29] Точно так же фМРТ в реальном времени исследуется как метод терапии боли, изменяющий то, как люди воспринимают боль, если им сообщают о том, как функционирует их мозг во время боли. Предоставляя прямую и понятную обратную связь, исследователи могут помочь пациентам с хронической болью уменьшить симптомы. [30]
Нейротехнологические имплантаты можно использовать для записи и использования активности мозга для управления другими устройствами, которые обеспечивают обратную связь с пользователем или заменяют недостающие биологические функции. [31] Наиболее распространенными нейроустройствами, доступными для клинического использования, являются глубокие стимуляторы мозга, имплантируемые в субталамическое ядро пациентам с болезнью Паркинсона . [13]
Фармацевтические препараты играют жизненно важную роль в поддержании стабильных химических процессов в мозге и являются наиболее часто используемой нейротехнологией среди населения и медицины. Такие препараты, как сертралин , метилфенидат и золпидем , действуют как химические модуляторы в мозге и обеспечивают нормальную деятельность у многих людей, чей мозг не может нормально функционировать в физиологических условиях. Хотя фармацевтические препараты обычно не упоминаются и имеют свою собственную сферу деятельности, роль фармацевтических препаратов, пожалуй, самая обширная и распространенная в современном обществе. Перемещение магнитных частиц в целевые области мозга для доставки лекарств является новой областью исследований и не вызывает заметных повреждений цепей. [17]
Как и другие прорывные инновации , нейротехнологии могут иметь глубокие социальные и правовые последствия, и поэтому их развитие и внедрение в общество поднимают ряд этических вопросов. [32] [33] [2]
Ключевые проблемы включают сохранение идентичности, свободы действий, когнитивной свободы и конфиденциальности. Хотя эксперты сходятся во мнении, что эти основные особенности человеческого опыта выиграют от этического использования нейротехнологий, они также подчеркивают важность превентивного создания конкретных нормативных рамок и других механизмов, которые защищают от ненадлежащего или несанкционированного использования. [1] [32] [34]
Идентичность в этом контексте относится к непрерывности личности , описываемой как телесная и психическая целостность и их сохранение во времени. Другими словами, это индивидуальное повествование и представление о себе.
Хотя нарушение идентичности не является общей целью нейротехнологий, некоторые методы могут вызывать нежелательные изменения разной степени тяжести. Например, глубокая стимуляция мозга обычно используется для лечения болезни Паркинсона , но может иметь побочные эффекты, затрагивающие концепцию идентичности, такие как потеря модуляции голоса, повышенная импульсивность или чувство самоотчуждения. [1] [35] [36] [37] В случае нейронных протезов и интерфейсов мозг-компьютер сдвиг может принять форму расширения самоощущения человека, потенциально включая устройство как неотъемлемую часть самого себя или расширение диапазона сенсорных и когнитивных каналов, доступных пользователю, за пределы традиционных органов чувств . [1] [38]
Частично трудность в определении того, какие изменения представляют собой угрозу идентичности, коренится в ее динамической природе: поскольку ожидается, что личность и представление о себе изменятся со временем в результате эмоционального развития и жизненного опыта, нелегко определить четкие критерии и провести линию между приемлемыми сдвигами и проблемными изменениями. [1] [39] Это становится еще сложнее, когда имеешь дело с нейротехнологиями, направленными на влияние на психологические процессы, например, предназначенными для облегчения симптомов депрессии или посттравматического стрессового расстройства (ПТСР) путем модуляции эмоциональных состояний или значимости воспоминаний, чтобы облегчить боль пациента. [40] [41] Даже помощь пациенту в запоминании, которая, по-видимому, поможет сохранить идентичность, может быть деликатным вопросом: «Забывание также важно для того, как человек ориентируется в мире, поскольку оно дает возможность как потерять след смущающего, так и Таким образом, попытки улучшить идентичность посредством сохранения памяти рискуют непреднамеренно повредить ценный, хотя и менее сознательно управляемый когнитивный процесс». [1]
Хотя нюансы его определения обсуждаются в философии и социологии , [42] агентность обычно понимается как способность человека сознательно принимать и сообщать о решении или выборе. Хотя идентичность и агентность различны, нарушение агентности, в свою очередь, может подорвать личную идентичность: субъект больше не может существенно изменить свое собственное повествование и, следовательно, может потерять способность вносить вклад в динамический процесс формирования идентичности. [39]
Взаимодействие между агентством и нейротехнологиями может иметь последствия для моральной и юридической ответственности. [43] [33] Как и в случае с идентичностью, устройства, предназначенные для лечения некоторых психиатрических состояний, таких как депрессия или анорексия, могут работать путем модуляции нейронных функций, связанных с желанием или мотивацией, потенциально ставя под угрозу свободу воли пользователя. [40] [44] Это также может иметь место, как ни парадоксально, в отношении нейротехнологий, предназначенных для восстановления свободы действий пациентов, таких как нейронные протезы и вспомогательные технологии , опосредованные BCI , такие как инвалидные коляски или компьютерные инструменты. [45] [46] Поскольку эти устройства часто работают путем интерпретации сенсорных сигналов или нейронных данных пользователя, чтобы оценить намерение человека и реагировать в соответствии с ним, пределы оценки могут привести к неточным или нежелательным реакциям, которые могут поставить под угрозу свободу действий: «Если Намерение агента и выходные данные устройства могут разойтись (подумайте о том, как функция автокоррекции в текстовых сообщениях иногда неправильно интерпретирует намерения пользователя и отправляет проблемные текстовые сообщения), чувство свободы воли пользователя может быть подорвано». [1]
Наконец, когда эти технологии будут разрабатываться, общество должно понять, что эти нейротехнологии могут раскрыть то единственное, что люди всегда могут хранить в тайне: то, что они думают. Несмотря на большое количество преимуществ, связанных с этими технологиями, ученым, гражданам и политикам необходимо учитывать последствия для конфиденциальности. [47] Этот термин важен во многих этических кругах, озабоченных состоянием и целями прогресса в области нейротехнологий (см. нейроэтика ). Текущие усовершенствования, такие как «снятие отпечатков пальцев мозга» или обнаружение лжи с помощью ЭЭГ или фМРТ, могут привести к установлению фиксированных локусов и эмоциональных связей в мозге, хотя до полного применения этих технологий еще далеко. [47] Важно учитывать, как все эти нейротехнологии могут повлиять на будущее общества, и предполагается, что политические, научные и гражданские дебаты будут услышаны о внедрении этих новых технологий, которые потенциально предлагают новое богатство некогда частной собственности. информация. [47] Некоторые специалисты по этике также обеспокоены использованием ТМС и опасаются, что этот метод может быть использован для изменения пациентов способами, нежелательными для пациента. [16]
Когнитивная свобода означает предлагаемое право на самоопределение людей контролировать свои собственные психические процессы, познание и сознание, в том числе посредством использования различных нейротехнологий и психоактивных веществ. Это предполагаемое право актуально для реформирования и развития соответствующих законов.
Катодный tDCS (по сравнению с имитацией) снижал скорость обучения во время тренировки и приводил к снижению производительности, которое продолжалось более 24 часов после стимуляции. Анодальная tDCS продемонстрировала улучшение обучения вычитанию в зависимости от операции.
Мы обнаружили, что стимуляция dlPFC значительно повышает точность воспоминаний по сравнению с состоянием имитации без стимуляции, а также по сравнению с активной стимуляцией области сравнения в левой теменной коре.