Нейротехнология охватывает 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, затронутых неврологическими расстройствами , [3] или усиление когнитивных способностей . [4] Помимо их терапевтического или коммерческого использования, нейротехнологии также представляют собой мощные исследовательские инструменты для продвижения фундаментальных знаний нейронауки . [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 ретинальные имплантаты .
Область нейротехнологий существует уже около полувека, но достигла зрелости только за последние двадцать лет. Появление визуализации мозга произвело революцию в этой области, позволив исследователям напрямую контролировать деятельность мозга во время экспериментов. Практику в области 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 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 сделать это; игры, такие как BrainAge [ 9] , и программы, такие как Fast ForWord [10] , которые направлены на улучшение работы мозга, являются нейротехнологиями.
В настоящее время современная наука может визуализировать почти все аспекты мозга, а также контролировать степень функционирования мозга. Это может помочь контролировать депрессию , чрезмерную активацию, лишение сна и многие другие состояния. Терапевтически это может помочь улучшить координацию движений у пациентов, перенесших инсульт , улучшить работу 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 много новых усовершенствований и методов реабилитации для пациентов с неврологическими проблемами. Нейротехнологическая революция дала начало инициативе « Десятилетие разума» , которая была начата в 2007 году. [12] Это также дает возможность раскрыть механизмы, посредством которых разум и сознание возникают из мозга.
Глубокая стимуляция мозга в настоящее время применяется у пациентов с двигательными расстройствами для улучшения качества жизни пациентов. [13]
Транскраниальная ультразвуковая стимуляция (TUS) — это метод, использующий ультразвук для модуляции нейронной активности в мозге. Это новая технология, которая показала терапевтический потенциал при различных неврологических заболеваниях. [14]
Транскраниальная магнитная стимуляция (ТМС) — это метод применения магнитных полей к мозгу для управления электрической активностью в определенных локусах мозга. [15] В настоящее время эта область исследований привлекает большое внимание из-за потенциальных преимуществ, которые могут быть получены в результате лучшего понимания этой технологии. [16] Транскраниальное магнитное перемещение частиц в мозге обещает быть перспективным для нацеливания и доставки лекарственных препаратов, поскольку исследования продемонстрировали, что это неинвазивно для физиологии мозга. [17]
Транскраниальная магнитная стимуляция является относительно новым методом изучения того, как функционирует мозг, и используется во многих исследовательских лабораториях, сосредоточенных на поведенческих расстройствах, эпилепсии , ПТСР , мигрени , галлюцинациях и других расстройствах. [16] В настоящее время исследуется повторяющаяся транскраниальная магнитная стимуляция, чтобы увидеть, можно ли сделать положительные поведенческие эффекты ТМС более постоянными. Некоторые методы объединяют ТМС и другой метод сканирования, такой как ЭЭГ, чтобы получить дополнительную информацию об активности мозга, такой как реакция коры. [18]
Транскраниальная стимуляция постоянным током (TDCS) — это форма нейростимуляции , которая использует постоянный слабый ток, подаваемый через электроды, размещенные на коже головы. Механизмы, лежащие в основе эффектов TDCS, до сих пор не до конца изучены, но недавние достижения в области нейротехнологий, позволяющие проводить оценку электрической активности мозга in vivo во время TDCS [19] , обещают продвинуть понимание этих механизмов. Исследования использования TDCS на здоровых взрослых людях продемонстрировали, что TDCS может повысить когнитивные способности при выполнении различных задач в зависимости от стимулируемой области мозга. TDCS использовалась для улучшения языковых и математических способностей (хотя было также обнаружено, что одна из форм TDCS подавляет обучение математике), [20] внимания, решения проблем, памяти, [21] координации и снятия депрессии [22] [23] [24] и хронической усталости. [25] [26]
Электроэнцефалография (ЭЭГ) — это метод измерения активности мозговых волн неинвазивным способом. Несколько электродов размещаются вокруг головы и скальпа, и измеряются электрические сигналы. [27] В клинической практике ЭЭГ используются для изучения эпилепсии, а также инсульта и наличия опухолей в мозге. Электрокортикография (ЭКоГ) основана на схожих принципах, но требует инвазивной имплантации электродов на поверхность мозга для более чувствительного измерения локальных полевых потенциалов или потенциалов действия.
Магнитоэнцефалография (МЭГ) — еще один метод измерения активности мозга путем измерения магнитных полей, возникающих из-за электрических токов в мозге. [28] Преимущество использования МЭГ вместо ЭЭГ заключается в том, что эти поля высоко локализованы и позволяют лучше понять, как определенные локусы реагируют на стимуляцию или чрезмерно активируются ли эти области (как при эпилептических припадках).
Существуют потенциальные области применения ЭЭГ и МЭГ, такие как составление графиков реабилитации и улучшения после травмы, а также тестирование нейронной проводимости в определенных областях эпилептиков или пациентов с расстройствами личности. ЭЭГ имеет основополагающее значение для понимания покоящегося мозга во время сна. [27] ЭЭГ в реальном времени рассматривалась для использования в детекции лжи . [29] Аналогичным образом, фМРТ в реальном времени исследуется как метод терапии боли, изменяющий то, как люди воспринимают боль, если они осознают, как функционирует их мозг во время боли. Предоставляя прямую и понятную обратную связь, исследователи могут помочь пациентам с хронической болью уменьшить их симптомы. [30]
Нейротехнологические имплантаты могут использоваться для записи и использования мозговой активности для управления другими устройствами, которые обеспечивают обратную связь с пользователем или заменяют отсутствующие биологические функции. [31] Наиболее распространенными нейроустройствами, доступными для клинического использования, являются глубокие стимуляторы мозга, имплантируемые в субталамическое ядро для пациентов с болезнью Паркинсона . [13]
Фармацевтические препараты играют важную роль в поддержании стабильной химии мозга 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 активность у многих людей, мозг которых не может нормально функционировать в физиологических условиях. Хотя фармацевтические препараты обычно не упоминаются и имеют свою собственную область, роль фармацевтических препаратов, возможно, является наиболее далеко идущей и обычной в современном обществе. Перемещение магнитных частиц в целевые области мозга для доставки лекарств является новой областью исследований и не вызывает обнаруживаемых повреждений цепи. [17]
Как и другие революционные инновации , нейротехнологии могут иметь серьезные социальные и правовые последствия, и поэтому их развитие и внедрение в общество поднимают ряд этических вопросов. [32] [33] [2]
Основные опасения включают сохранение идентичности, агентности, когнитивной свободы и конфиденциальности как нейроправ. Хотя эксперты согласны с тем, что эти основные черты человеческого опыта выиграют от этичного использования нейротехнологий, они также подчеркивают важность превентивного установления конкретных нормативных рамок и других механизмов, которые защищают от ненадлежащего или несанкционированного использования. [1] [32] [34]
Идентичность в этом контексте относится к личной непрерывности , описываемой как телесная и ментальная целостность и их сохранение во времени. Другими словами, это само-нарратив и концепция себя индивида .
Хотя разрушение идентичности не является общей целью для нейротехнологий, некоторые методы могут создавать нежелательные сдвиги, которые варьируются по степени серьезности. Например, глубокая стимуляция мозга обычно используется для лечения болезни Паркинсона , но может иметь побочные эффекты, которые затрагивают 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 чувства себя, потенциально включив устройство как неотъемлемую часть себя или расширив диапазон сенсорных и когнитивных каналов, доступных пользователю за пределами традиционных чувств . [1] [38]
Часть трудностей в определении того, какие изменения представляют угрозу для идентичности, коренится в ее динамической природе: поскольку личность и представление о себе, как ожидается, будут меняться со временем в результате эмоционального развития и жизненного опыта, нелегко определить четкие критерии и провести границу между приемлемыми сдвигами и проблемными изменениями. [1] [39] Это становится еще сложнее, когда имеешь дело с нейротехнологиями, направленными на влияние на психологические процессы, например, теми, которые разработаны для устранения симптомов депрессии или посттравматического стрессового расстройства (ПТСР) путем модуляции эмоциональных состояний или значимости воспоминаний для облегчения боли пациента. [40] [41] Даже помощь пациенту в воспоминаниях, которая, казалось бы, должна помочь сохранить личность, может быть деликатным вопросом: «Забывание также важно для того, как человек ориентируется в мире, поскольку оно дает возможность как потерять след неловких или трудных воспоминаний, так и сосредоточиться на ориентированной на будущее деятельности. Таким образом, попытки усилить личность посредством сохранения памяти сопряжены с риском непреднамеренного повреждения ценного, хотя и менее осознанно управляемого когнитивного процесса». [1]
Хотя нюансы его определения обсуждаются в философии и социологии , [42] агентство обычно понимается как способность индивида осознанно принимать и сообщать о решении или выборе. Хотя идентичность и агентство различны, нарушение агентства может, в свою очередь, подорвать личную идентичность: субъект может больше не иметь возможности существенно изменять свой собственный рассказ о себе и, следовательно, может потерять способность вносить вклад в динамический процесс формирования идентичности. [39]
Взаимодействие между субъектностью и нейротехнологиями может иметь последствия для моральной ответственности 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, модулируя нейронную функцию, связанную с желанием или мотивацией, потенциально ставя под угрозу субъектность пользователя. [40] [44] Это также может иметь место, как это ни парадоксально, для тех нейротехнологий, которые предназначены для восстановления субъектности у пациентов, таких как нейронные протезы и вспомогательные технологии на основе BCI, такие как инвалидные коляски или компьютерные инструменты доступности . [45] [46] Поскольку эти устройства часто работают, интерпретируя сенсорные входные данные или нейронные данные пользователя, чтобы оценить намерение человека и отреагировать в соответствии с ним, пределы оценки могут привести к неточным или нежелательным ответам, которые могут поставить под угрозу агентность: «Если намерение агента и вывод устройства могут разойтись (вспомните, как функция автокоррекции в текстовых сообщениях иногда неправильно интерпретирует намерение пользователя и отправляет проблемные текстовые сообщения), чувство агентности пользователя может быть подорвано». [1]
Наконец, когда эти технологии будут разрабатываться, общество должно понимать, что эти нейротехнологии могут раскрыть то единственное, что люди всегда могут держать в секрете: то, что они думают. Хотя с этими технологиями связано большое количество преимуществ, ученым, гражданам и политикам необходимо учитывать последствия для конфиденциальности. [47] Этот термин важен во многих этических кругах, занимающихся состоянием и целями прогресса в области нейротехнологий (см. нейроэтика ). Текущие усовершенствования, такие как «снятие отпечатков пальцев с мозга» или детекция лжи с использованием ЭЭГ или фМРТ, могут привести к установлению фиксированных локальных/эмоциональных связей в мозге, хотя эти технологии еще далеки от полного применения. [47] Важно рассмотреть, как все эти нейротехнологии могут повлиять на будущее общества, и предполагается, что будут слышны политические, научные и гражданские дебаты о внедрении этих новых технологий, которые потенциально предлагают новое богатство некогда частной информации. [47] Некоторые специалисты по этике также обеспокоены использованием ТМС и опасаются, что эта техника может быть использована для изменения состояния пациентов нежелательным для них образом. [16]
Когнитивная свобода относится к предполагаемому праву на самоопределение индивидов, чтобы контролировать свои собственные психические процессы, познание и сознание, в том числе путем использования различных нейротехнологий и психоактивных веществ. Это воспринимаемое право имеет значение для реформирования и развития связанных с этим законов.
Катодная tDCS (по сравнению с ложной) снизила скорость обучения во время обучения и привела к ухудшению производительности, которое длилось более 24 ч после стимуляции. Анодная tDCS показала специфическое для операции улучшение обучения вычитанию.
Мы обнаружили, что стимуляция dlPFC значительно повышает точность воспоминаний по сравнению с ложным состоянием без стимуляции, а также по сравнению с активной стимуляцией области сравнения в левой теменной коре.