我们已经更新我们的隐私政策使它更加清晰我们如何使用您的个人资料。

我们使用cookie来提供更好的体验。你可以阅读我们的饼干的政策在这里。

广告

脑科学

脑科学内容块图像

希望这篇文章的一个免费的PDF版本吗?

完成下面的表格,我们将电子邮件您的PDF版本“脑科学”

听与
喋喋不休地说
0:00
注册免费听这篇文章
谢谢你!听这篇文章使用上面的球员。
阅读时间:

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

膜片钳电生理的观点。

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。

脑深部刺激器设置。
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

tDCS可能通过cap-mounted电极。
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。

聚焦超声的机制(付)。

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。

引用

1。里加拉多。大脑植入物可以成为下一个电脑鼠标。麻省理工学院技术评论。https://www.technologyreview.com/2021/10/27/1036821/brain-computer-interface-implant-mouse/2020年出版。2022年1月7日通过。

2。天使C, Boakye M,莫顿R等。慢性运动后恢复为了这座新奇走完整的脊髓损伤。新英格兰医学杂志》上。2018;379 (13):1244 - 1250。doi:10.1056 / nejmoa1803588

3所示。穆勒啊,无赖美国脑科学:当前的发展和伦理问题。前面。系统。>。2017;11:93。doi:10.3389 / fnsys.2017.00093

4所示。Dibner B。路易吉Galvani |意大利医生和物理学家。大英百科全书。https://www.britannica.com/biography/Luigi-Galvani。2021年出版。2022年1月6日通过。

5。L。水流和光子:神经科学家使用成像或电生理监测神经活动吗?。神经科学与技术的网络。188金宝搏备用//www.dile1000.com/neuroscience/articles/of -电流-和-光子- -神经科学家应该使用成像-或-电生理学-监控-神经- 317794。2019年出版。2022年1月6日通过。

6。同前

7所示。泽。电生理学是数字。神经科学与技术的网络。188金宝搏备用//www.dile1000.com/neuroscience/blog/electrophysiology -数字- 310617。2018年出版。2022年1月6日通过。

8。脑电图(EEG)。Brainsigns。https://www.brainsigns.com/en/science/s2/technologies/eeg。2018年出版。2022年1月24日通过。

9。Sirven j .神经科学。第二版的百科全书。学术出版社;2014:1080 - 83。

10。Bazzigaluppi P。从抽搐青蛙到大脑植入物:5电生理学的关键技术。神经科学与技术的网络。188金宝搏备用//www.dile1000.com/neuroscience/lists/from -抽搐——青蛙——大脑植入物- 5 -关键技术——电生理学- 328001。2019年出版。2022年1月7日通过。

11。布朗,约翰逊B,古德曼m . Patch-pipettes和锋利的电极和一个可编程的拉手。J Vis实验。2008;20 (939)。doi:10.3791/939

12。卡特M, Shieh J。在神经科学研究技术指南。第三章——电生理技术。学术出版社;2010:73 - 90。doi:10.1016 / b978 - 0 - 12 - 374849 - 2.00003 - 3所示

13。L。水流和光子:神经科学家使用成像或电生理监测神经活动?。神经科学与技术的网络。188金宝搏备用//www.dile1000.com/neuroscience/articles/of -电流-和-光子- -神经科学家应该使用成像-或-电生理学-监控-神经- 317794。2019年出版。2022年1月6日通过。

14。脑深部电刺激——梅奥诊所。Mayoclinic.org。https://www.mayoclinic.org/tests procedures/deep -大脑- stimulation/about/pac - 20384562。2022年1月8日通过。

15。Suchorska B, Ruge m .脑深部刺激:当前应用和未来前景。越是加大地中海。2015;20(112):403 - 11所示。PMID:26760984

16。同前

17所示。波尔马特J .和貂皮J。脑深部电刺激。为基础>,2006 (29):229 - 257。doi:10.1146 / annurev.neuro.29.051605.112824

18岁。Rehncrona s Johnels b·威德纳h . Tornqvist Hariz m和Sydow o .丘脑脑深部电刺激的长期疗效震颤:双盲评估。Mov不和2003 (18)2:163 - 70。doi:10.1002 / mds.10309

19所示。波尔马特J .和貂皮J。脑深部电刺激。为基础>,2006 (29):229 - 257。doi:10.1146 / annurev.neuro.29.051605.112824

20.大树,赛R, Bhat P,斯利瓦斯塔瓦K, Chauhan诉经颅磁刺激:回顾其发展和当前的应用程序。印第安纳州精神病学J。2018年,27 (2):172 - 80。doi:10.4103 / ipj.ipj_88_18

21。Mackenzie R。刺激的感觉:动摇神经科学的非侵入性技术。神经科学与技术的网络。188金宝搏备用//www.dile1000.com/neuroscience/articles/stimulation——感觉————非侵入性技术-神经- 346368 -摇晃起来。2021年出版。2022年1月8日通过。

22。经颅磁刺激——梅奥诊所。Mayoclinic.org。https://www.mayoclinic.org/tests procedures/transcranial -磁- stimulation/about/pac - 20384625。2022年1月8日通过。

23。史密斯Thair H, Holloway,新港R, A经颅直流电刺激(tDCS):为设计和实现一个初学者的指南。前>。2017;(11):641。doi:10.3389 / fnins.2017.00641

24。艾伦比C,要求M, L Bernardo et al .脑经颅直流电刺激减少冲动ADHD。大脑Stimul。2018;11 (5):974 - 81。doi:10.1016 / j.brs.2018.04.016

25。科恩Nitsche M, L,沃斯曼大肠经颅直流电刺激:最先进的2008。大脑Stimul。2008;1(3):206 - 23所示。doi:10.1016 / j.brs.2008.06.004

26岁。菲尔默H, Dux P, Mattingley j .应用经颅直流电刺激对于理解大脑功能。神经科学的趋势。2014年,37 (12):742 - 53。doi:10.1016 / j.tins.2014.08.003

27。带给人B,克拉克V, Parasuraman r .电池供电的想法:增强注意力,学习,记忆在健康成年人使用经颅直流电刺激。科学杂志。2014,85 (3):895 - 908。doi:10.1016 / j.neuroimage.2013.07.083

28。于K,牛X, Krook-Magnusson E、b他内在的功能neuron-type选择性经颅聚焦超声波神经调节。Nat Commun。2021;12 (2519)。doi:10.1038 / s41467 - 021 - 22743 - 7

29。忘记脑部手术:超声波疗法可以帮助治疗大脑。神经科学与技术的网络。188金宝搏备用//www.dile1000.com/neuroscience/news/forget -大脑-手术-超声-疗法——可以帮助治疗- -大脑- 348503。2021年出版。2022年1月8日通过。

30.特发性震颤。聚焦超声的基础。https://www.fusfoundation.org/diseases-and-conditions/neurological/essential-tremor。2021年出版。2022年1月17日通过。

31日。非侵入性的聚焦超声治疗示巴医学中心(付)。示巴医学中心。https://www.shebaonline.org/treatment/fus/。2020年出版。2022年1月17日通过。

32。Shih J, Krusienski D,沃尔波J .脑-机接口在医学。梅奥中国Proc。2012,87 (3):268 - 79。doi:10.1016 / j.mayocp.2011.12.008

33。张Agashe H, Paek A, Y,孔特雷拉斯。维达尔j .全球皮质活动预计在抓住手的形状。前>。2015;9 (121)。doi:10.3389 / fnins.2015.00121

34。Olivieri E, Barresi G, Mattos l . BCI-based手术机器人的用户培训。为Int Conf IEEE Eng地中海生物Soc。2015:4918-21。doi:10.1109 / EMBC.2015.7319495

35。猴子Mindpong。YouTube.com: Neuralink;https://www.youtube.com/watch?v=rsCul1sp4hQ2021年出版。2022年1月6日通过。

36。Schirmann f .“新技术”的奇妙的眼睛——历史上早期的脑电图(EEG)的精神病,犯罪和不道德。人类神经科学前沿。2014年,8。2022年2月11日通过。https://www.frontiersin.org/article/10.3389/fnhum.2014.00232


37岁。Mackenzie R。我们怎样才能更容易植入脑机接口?。神经科学与技术的网络。188金宝搏备用//www.dile1000.com/neuroscience/blog/how - -我们可以-它容易-植入- -脑-计算机接口- 352026。2021年出版。2022年1月9日通过。

38。Hitti N。Elon Musk揭示Neuralink大脑植入手术机器人设计和更新。Dezeen。https://www.dezeen.com/2020/09/02/neuralink-elon-musk-brain-implant-technology/。2020年出版。2022年1月9日通过。

39岁。在因T。Elon Musk想进入你的头脑。字面上。washingtonpost.com。https://www.washingtonpost.com/business/2019/07/17/elon-musk-wants-get-inside-your-head-literally/。2019年出版。2022年1月9日通过。

40。Mackenzie R。我们怎样才能更容易植入脑机接口?。神经科学与技术的网络。188金宝搏备用//www.dile1000.com/neuroscience/blog/how - -我们可以-它容易-植入- -脑-计算机接口- 352026。2021年出版。2022年1月9日通过。

41岁。Mackenzie R。怎么一个“突破”脑机接口帮助病人吗?。神经科学与技术的网络。188金宝搏备用//www.dile1000.com/neuroscience/blog/how -能-突破-大脑-计算机-界面-帮助患者- 356896。2021年出版。2022年1月8日通过。

42。Mackenzie R。隐私在大脑:脑科学的伦理。神经科学与技术的网络。188金宝搏备用//www.dile1000.com/neuroscience/articles/privacy -大脑- - - - - -道德的脑科学- 353075。2021年出版。2022年1月9日通过。

43。Mackenzie R。我们怎样才能更容易植入脑机接口?。神经科学与技术的网络。188金宝搏备用//www.dile1000.com/neuroscience/blog/how - -我们可以-它容易-植入- -脑-计算机接口- 352026。2021年出版。2022年1月9日通过。


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。

广告
Baidu