脑科学

想象你可以控制你的电脑的鼠标和你的大脑,而不是你的手¹。想象帮助脊髓损伤患者走路了²通过使用大脑植入。

这可能听起来像科幻小说,但研究人员已经发现如何使这两个场景成为现实。这都是多亏了脑科学。

有许多不同类型的脑科学,各有其作用。从改善神经和精神疾病的治疗增加当前人类的能力(想读别人的主意?)神经技术广泛应用,使它成为一个开花领域值得关注。

脑科学是什么?

在最简单的形式中,神经技术是技术的集成组件³与神经系统。这些组件可以电脑、电极或任何其他的工程可以设置界面与电动脉冲电流通过我们的身体。

脑科学有两个主要目标——要么记录信号从大脑和“翻译”成技术控制命令(比如我们的人脑控制电脑鼠标),或操纵大脑活动通过应用电或光刺激(帮助瘫痪病人)。

脑科学的应用是广泛的,从促进学术研究的潜力,疗法,开发大脑/机接口和更多的,有很多不同类型的成员,比其他的一些侵入性较小,在本文中我们将介绍它。

电生理学

在1780年代,而尝试青蛙腿,路易吉伽尔伐尼注意到运用电击使腿抽搐⁴——尽管他们与青蛙的大脑和身体。

煽动,突破两个世纪将教我们大量的研究⁵刺激神经元火如何反应,如何射击在大脑的不同区域进行。是关键解锁我们理解大脑是如何组织的⁶。

简而言之⁷,电生理学包括电极的使用理解神经元的电特性。研究人员可以记录数以百计的细胞的活动,或在单个细胞膜片箝技术。

脑电图(EEG) [1] 是一种电生理监测方法用于记录一些神经元的电活动。通常是容易办到,电极排列在一顶帽子,把头皮,衡量电压波动的大脑区域⁸。相比之下,一个皮层脑电图(ECoG)包括放置在大脑直接接触的表面电极和测量脑电波在这些特定的大脑区域。它通常以参考地图癫痫的大脑区域和促进他们的安全的删除⁹。

图1:膜片钳电生理

在膜片钳电生理¹⁰的玻璃微量吸液管直径< 3微米¹¹插入一个细胞的膜。带电离子从细胞的内部到外部通过转移渠道收取吸管的解决方案。离子的跨膜运动所产生的电流由金属电极,检测继电器的数据一个放大器。这种技术让研究人员难以置信的精度和确定性的读数。

研究人员还可以测量多个神经元的活动。有两种主要的方法来做这个¹²。首先,可以使用一个微电极阵列。这个网格的电极可以记录多个神经元的活性表面的大脑。尽管规模较小,但它仍然太大被插入在大脑深处,这技术是预留给大脑表面的神经元。

第二种方法是四极管。四极管微电极阵列组成的四个活跃的电极,使他们足够小,插入这些更深层次的区域。

测量大量的神经元¹³这样会导致更多的不确定性。某些类型的神经元有一种独特的波形,使它们很容易识别。然而,这些是例外而不是规则。大多数神经元有模棱两可的波形,使其很难确定哪些神经元研究了。

脑深部电刺激

脑深部电刺激是指一种技术¹⁴涉及手术大脑的特定区域植入电极调节其运作方式。这些电极产生电脉冲,调节神经元的活动异常的病人。

刺激传递到大脑是由一个像起搏器的装置植入皮肤下胸部。从这个起搏器导线运行皮肤下电极。虽然高度侵袭性的,这个过程是可逆的¹⁵,一般不会导致许多副作用。

图2:一个脑深部刺激器包括一个起搏器电极连接到大脑中。

而具体的作用机制还不清楚¹⁶的治疗效果¹⁷脑深部电刺激可显著。

例如,丘脑腹侧核中间的植入电极已被证明¹⁸大大减少震颤,甚至停止特发性震颤患者的疾病进展植入后超过6年。

此外,刺激苍白球的内部部门或丘脑核已被证明¹⁹减少动作迟缓的症状,刚度和步态障碍患者的帕金森病。其他条件,受益于脑深部电刺激治疗包括癫痫、强迫症和肌张力障碍。

经颅磁刺激

经颅磁刺激(TMS)^20.最近开发的技术用于治疗精神疾病和神经系统疾病。它属于一个新兴的领域的非侵入性脑刺激(上司)²¹技术。

磁场TMS暴露了头皮,可以调节神经元发射的电子信号在目标区域。磁场通常源于“魔杖”设备。

虽然经颅磁刺激的确切生物学机制不是理解,它已被证明提供救济²²在某些患者抑郁症状和改善情绪。

经颅直流电刺激

经颅直流电刺激(tDCS)是一种大脑刺激的方法²³中心在调制行为和认知过程,以及神经回路基本运动功能。

经颅磁刺激,tDCS是无痛的,非侵入性的程序。两个电极放置在头皮上的电极参与者——一个更小的目标在一个半球,和一个更大的参比电极半球。弱电流通过电极从目标,通过大脑的参比电极,在这一过程中,调节患者的行为。

一行的研究目前在聚光灯下是多动症治疗。认知控制的任务依赖于良好的前额叶皮层功能——这个地区的障碍可以导致肠脉冲控制问题。研究发现,青少年患有ADHD展览减少一定的前额叶皮层区域的活动,特别是左背外侧前额叶皮层(DLPFC)。使用tDCS刺激左DLPFC被证明能减少冲动ADHD患者,有效弥补赤字的活动²⁴。

图3:tDCS可能通过cap-mounted电极。

,这是大家公认²⁵积极的阳极的,或兴奋,电流与upregulation行为受目标电极下的大脑区域。

另一方面,消极的阴极的,或抑制,当前的差别与对这些行为。

tDCS用于识别²⁶在认知思维的关系,电动机、社会和情感领域。tDCS健康人群的应用已经证明²⁷暂时修改行为,加速学习,提高任务的表现。

聚焦超声

突破性的研究²⁸卡内基梅隆大学最近表明,低强度超声技术可以应用到操纵神经元程控选择性的方式。换句话说,聚焦超声(付)给研究人员的力量调节特定neuro-circuits,让付家更具有高度针对性的神经病治疗^29日比脑深部电刺激、经颅磁刺激和tDCS。

图4:一个图表显示背后的机制聚焦超声(付)。

付家神经调节是通过将超声波能量,通过头骨,具有高度针对性的大脑区域。通过调整参数,科学家可以激发或抑制特定的神经回路。

付家在美国fda批准用于治疗特发性震颤^30.。然而,它还没有广泛用于医院——这是一个相对新颖的治疗,几乎十年。它有几个优势老治疗特发性震颤,即非侵入性,不依赖于辐射,不构成任何感染的风险^31日。由于这些原因,我们可能会看到它的存在在未来几年。

脑机接口

简单地说,脑-机接口(BCI)³²是一个基于计算机的系统,接收大脑信号,分析他们,然后转换成命令设备,产生所需的输出。

BCI在医学背景下的主要功能是治疗,患者恢复正常神经肌肉功能障碍,例如肌萎缩性脊髓侧索硬化症(ALS)、脑瘫、中风或脊髓损伤。

把大脑信号变成命令对计算机系统意味着病人可以移动光标,类型在键盘上,操纵假肢,就使用他们的大脑。2015年,休斯顿大学的研究人员成功地使一个截肢者控制的假肢手只使用他的思想第一次——不需要入侵大脑植入。

相反,64 -通道脑电图耳机戴着一个主题,在电机监测大脑活动、决策和行动观察的大脑区域。这些地区的神经活动之前假肢手的运动50 - 90毫秒,证明大脑发生之前预测的运动³³。

除此之外,好像也有一个作用使手术更安全³⁴。例如,好像可以用来监测外科医生的精神焦点时执行一个程序,然后使用这些信息来让手术更安全。这个系统可以训练的外科医生来调节自己的心理状态在执行手术任务使用一个机器人系统。系统为外科医生提出了增强现实技术反馈,这有助于他们的努力在保持高度的精神集中的任务。

大脑植入物

下面的视频展示了一个猴子玩Pong思想³⁵。以及,老实说,很奇怪的看,它是一个美丽的插图的脑机接口。这项技术,由公司Neuralink伊隆麝香,是复兴的一部分大脑植入物的兴趣。

尽管他们可能听起来像是属于未来,人类对大脑植入已经存在自20世纪初以来,随着脑电图(EEG)的发展由汉斯伯格在1929年。³⁶

大脑植入大脑和计算机接口的方法之一。他们允许用户通信计算机和其他外部设备如机械手。这使得它们强有力的候选人作为治疗的患者可能在四肢神经损伤脊髓,因为大脑植入允许跳过这些神经完全同时实现所需的输出。

植入记录神经元的动作电位和局部场电位与时间和空间分辨率高和高通道数³⁷。这让研究人员覆盖大量的神经组织。

手动植入目前交付,由外科医生,通过颅骨切开术。虽然肯定是侵入性的,过程是可逆的³⁸没有严重的副作用,至少在猪麝香也尝试。

虽然Neuralink麝香的愿景是提供其大脑技术作为一个选择性的过程³⁹对于任何一个普通人,其他大脑植入企业思维不同。

例如,Florian Solzbacher清楚non-implantable bci的发展⁴⁰也极大的兴趣他的公司吗贝莱德Neurotech。据该公司介绍,目前全球仅34人脑科学设备植入他们的大脑——这显然是仍处于起步阶段。

也就是说,贝莱德MoveAgain BCI植入设备名称来自美国食品和药物管理局最近获得了突破,公司打算今年MoveAgain商业化⁴¹。它不会联想到我们可能会站在起飞的边缘大脑植入物作为标准治疗一些衰弱,慢性疾病。

道德的脑科学

如果读到这些脑科学的发展使得你们了不舒服,你不是一个人。

脑科学,虽然治疗非常有前途的,是一个伦理雷区。数据问题在权利、隐私和回避风险的规定的名义更容易销售。

让我们回想Pong-playing猴子。研究人员监测寻呼机neuroactivity数据在电脑上。谁拥有这些数据?寻呼机,还是Neuralink的吗?

移动屏幕上的光标是一回事,但如果编码的神经活动比这更敏感?什么样的规则在保护用户隐私的存在?这些都是需要考虑的问题。

兴趣神经技术的快速上升也意味着监管缓慢。因为产品的营销方式通知他们需要遵守的规定,有担心公司回避关键检查⁴²通过营销他们的成员的“健康”的产品,而不是医疗设备。

结论

脑科学领域包括许多技术和类型的技术。无法记录单个神经元的活动,调节整个大脑的活动区域,毫无疑问脑科学是并将继续改变我们对待神经和精神疾病的方式。

作为Florien Solzbacher贝莱德Neurotech所说,“我预见,在20 - 30年,这些类型的植入物将心脏起搏器一样常见的和可接受的今天。”⁴³如果Solzbacher的预言成真,这将改变游戏痴呆患者的情绪障碍和神经退行性疾病。脑科学有可能帮助我们减少这些疾病的症状,但也增加人类的经验。我们只需要打开。

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关于作者:茱莉亚是一个独立于位置的寻作家对科学思想传递给公众的热情。她拥有理学学士(荣誉)在医学科学和可持续农业的MSc,喜欢写关于神经科学、行为、农业、生态、保护等等。她在空闲时间喜欢跳舞,徒步旅行和做音乐。