Neuroteknologiat ovat mitä tahansa teknologioita , joilla on perustavanlaatuinen vaikutus siihen, miten ihmiset ymmärtävät aivoja ja erilaisia tietoisuuden näkökohtia , henkistä toimintaa ja korkeampia henkisiä toimintoja . Se sisältää myös tekniikoita, joiden avulla tutkijat ja lääkärit voivat visualisoida aivot ja jotka on suunniteltu parantamaan ja korjaamaan aivojen toimintaa.
Neurotekniikan ala on puoli vuosisataa vanha, mutta kypsyytensä on saavutettu vasta viimeisen 20 vuoden aikana. Avainkehitys oli neuroimaging -tekniikan tulo , jonka ansiosta tutkijat pystyivät tarkkailemaan aivojen toimintaa suoraan kokeiden aikana. Neuroteknologialla on ollut merkittävä vaikutus yhteiskuntaan, vaikka niiden läsnäolo on niin hienovaraista, että harvat huomaavat niiden läsnäolon kaikkialla. Lääkkeistä aivotutkimuksiin neuroteknologiat vaikuttavat suoraan tai epäsuorasti lähes koko kehittyneiden maiden väestöön , olipa kyseessä sitten masennus- , unettomuus- , tarkkaavaisuus- ja ylivilkkaushäiriölääkkeet , neuroottiset lääkkeet tai syövän skannaus, aivohalvauksen toipuminen .ja paljon enemmän.
Teollisuuden kehittyessä se antaa yhteiskunnalle mahdollisuuden hallita ja käyttää monia aivojen ominaisuuksia, jotka vaikuttavat persoonallisuuteen ja elämäntyyliin. Melko yleiset tekniikat yrittävät jo tehdä tätä; Pelit, kuten Brain Age [1] ja ohjelmat, kuten Fast ForWord [2] , jotka pyrkivät parantamaan aivojen toimintaa, kuuluvat neuroteknologian luokkaan.
Tällä hetkellä tiede pystyy kuvaamaan lähes kaikkia aivojen rakenteen ja toiminnan näkökohtia. Se auttaa hallitsemaan masennusta , yliaktiivisuutta, unettomuutta ja paljon muuta. Terapiassa se voi auttaa aivohalvauksen uhreja parantamaan motorista koordinaatiota, parantamaan aivojen toimintaa, vähentämään epileptisiä kohtauksia , auttaa potilaita, joilla on liikehäiriöitä ( Parkinsonin , Huntingtonin tauti , ALS ) ja jopa lievittää haamukipua [3] . Neurotekniikan kehitys lupaa monia uusia menetelmiä neurologisista ongelmista kärsivien potilaiden kuntoutukseen. Neuroteknologinen vallankumous johti Decade of Thinking -aloitteeseen , joka käynnistettiin vuonna 2007 [4] . Sen avulla voidaan myös tunnistaa mekanismit, joilla mieli ja tietoisuus syntyvät aivoissa .
Magneettiresonanssikuvausta (MRI) käytetään aivojen topologisten ja ikonisten rakenteiden skannaamiseen sekä aivojen toiminnan visualisointiin. MRI:n sovelluksella on kauaskantoisia vaikutuksia neurotieteisiin. Se on ajattelun tutkimuksen kulmakivi, varsinkin funktionaalisen MRI :n (fMRI) käyttöönoton jälkeen [5] . Funktionaalinen MRI mittaa aivojen alueiden aktivoitumisen riippuvuutta happipitoisuuden noususta. Teknologian avulla on mahdollista rakentaa kartta assosiatiivisista yhteyksistä aivojen eri osien ja alueiden välille, mukaan lukien uusien alueiden ja alueiden tunnistaminen. FMRI:n ansiosta potilaat voivat nähdä reaaliajassa, kuinka heidän aivonsa reagoivat ärsykkeisiin ja saavat siten visuaalista palautetta [6] .
Tietokonetomografia (CT) on toinen aivojen skannaustekniikka, jota on käytetty 1970-luvulta lähtien. Vaikka tiedemaailmassa monet TT:n toiminnot ovat nyt siirtymässä magneettikuvaukseen, ensin mainittua käytetään edelleen terveydenhuollon asetuksissa aivotoiminnan ja vaurioiden havaitsemiseen. Röntgensäteiden avulla tutkijat tallentavat aivojen radioaktiivisia markkereita, jotka osoittavat aktiivisuuspisteitä työkaluna yhteyksien muodostamiseen aivoissa, sekä tunnistavat monia vammoja/sairauksia, jotka voivat aiheuttaa pitkäaikaisia vaurioita aivoille (kuten aneurysma tai syöpä ) [5] .
Positroniemissiotomografia (PET) on toinen kuvantamismenetelmä, joka on viritetty sieppaamaan positronisäteilyä (kuten glukoosia) lähettäviä markkereita [5] . PET:tä käytetään yhä useammin, koska sen avulla voit tunnistaa aineenvaihduntaprosesseja: aivojen ongelma-alueet kuluttavat enemmän glukoosia.
Transkraniaalinen magneettistimulaatio (TMS) on pohjimmiltaan suoraa aivojen magneettista stimulaatiota. Koska sähkövirrat ja magneettikentät liittyvät erottamattomasti toisiinsa, magneettisten impulssien vaikutus tiettyihin aivojen alueisiin mahdollistaa ennustettavan vaikutuksen [7] . Tämä tutkimusalue saa tällä hetkellä paljon huomiota, koska tämän tekniikan paremmasta ymmärtämisestä voi olla hyötyä [8] .
Mikropolarisaatio on neurostimulaation muoto, joka käyttää matalajännitteistä tasavirtaa, joka toimitetaan suoraan kiinnostavalle alueelle pienten elektrodien kautta. Se kehitettiin alun perin auttamaan potilaita, joilla on aivovaurioita, kuten aivohalvauksia. Tutkimus mikropolarisaation käytöstä terveillä aikuisilla on kuitenkin osoittanut, että tekniikka voi parantaa kognitiokykyä useissa eri tehtävissä riippuen stimuloitavasta aivojen alueesta. Mikropolarisaatiota on käytetty parantamaan kieli- ja matemaattisia kykyjä (vaikkakin yksi sen muoto voi hidastaa matematiikan oppimista [9] ), kehittää huomiokykyä, parantaa muistia [10] ja koordinaatiota.
Elektroenkefalografia (EEG) on ei-invasiivinen menetelmä aivoaaltotoiminnan mittaamiseen. Sarja elektrodeja asetetaan pään ympärille sähköisten signaalien poimimiseksi. EEG:tä käytetään yleensä työskenneltäessä unitilassa, koska unen eri vaiheisiin liittyy tyypillisiä aaltokuvioita [5] . Elektroenkefalografia on perustavanlaatuinen aivojen lepäämisen tutkimukselle. Kliinisesti EEG:itä käytetään epilepsian sekä aivohalvauksen ja aivokasvaimien tutkimiseen.
Magnetoenkefalografia (MEG) on toinen menetelmä aivotoiminnan mittaamiseksi, joka mittaa aivojen sähkövirtojen synnyttämiä magneettikenttiä. MEG:n etuna EEG:hen verrattuna on, että magneettikentät ovat paikallistuneempia, mikä mahdollistaa aivojen eri osien vasteen paremman seurannan sekä ylikiihtymisen havaitsemisen (kuten epileptisten kohtausten tapauksessa).
Neuroimplantti on mikä tahansa laite, jota käytetään ohjaamaan tai säätelemään aivojen toimintaa. Parkinsonin taudin hoitoon on tällä hetkellä saatavilla useita implantteja kliiniseen käyttöön. Yleisimmät neuroimplantit ovat syväaivostimulaattorit ( DBS ), joita käytetään sähköstimulaatioon halvaantuneilla aivoalueilla. Parkinsonin taudin tiedetään johtuvan basaaliganglionihalvauksesta , ja DBS:stä on viime aikoina tullut suosituin hoitomuoto, vaikka DBS:n tehokkuutta koskeva tutkimus on edelleen merkityksellistä [11] .
neuromodulaatiosuhteellisen uusi suunta, joka yhdistää neuroimplanttien käytön ja neurokemian. Tämä menetelmä perustuu ajatukseen, että aivoja voidaan säädellä eri tekijöillä (metabolinen, fysiologinen, sähköinen stimulaatio), joiden toimintaa voidaan moduloida hermoverkkoon istutetuilla laitteilla. Tämä menetelmä on tällä hetkellä vielä tutkimusvaiheessa. Sen onnistuneen soveltamisen kannalta on välttämätöntä luoda laitteita, jotka aiheuttavat mahdollisimman vähän negatiivista reaktiota kehosta. Tätä tekee hermoimplanttien pintakemia ..
Tutkijat alkavat tutkia aivojen kantasolujen käyttöä , joita on viime aikoina löydetty useista paikoista. Kantasoluja on käytetty menestyksekkäästi kokeissa synnytystraumasta kärsineiden lasten ja iäkkäiden ihmisten aivoissa, joilla on rappeumasairauksia. Kantasolut kannustavat aivoja tuottamaan uusia soluja ja luomaan lisää yhteyksiä hermosolujen välille.
Lääkkeillä on tärkeä rooli aivokemian pitämisessä vakaana, ja ne ovat yleisimmin käytettyjä neurotekniikoita. Lääkkeet, kuten sertraliini , metyylifenidaatti ja tsolpideemi , toimivat aivojen kemiallisina säätelijöinä (katso lisätietoja kohdasta neuropsykofarmakologia ).).
Stimulaatio heikkoilla magneettikentilläSitä tutkitaan nyt masennuksen hoitona Harvard Medical Schoolissa , ja sitä ovat aiemmin tarkastelleet Glenn Bell [12] , Andrew Marino [13] ja muut tutkijat.
Neuroteknologian tulevaisuus ei ole niinkään siinä, mitä uusia menetelmiä tulee esiin, vaan siinä, millaisia tekniikoiden sovellusalueita tulee olemaan. Siksi fMRI:tä tutkitaan parhaillaan kivunhoitomenetelmänä. Samalla palautetta aivojen toiminnasta kipukohtausten aikana potilaat voivat vähentää kipuoireita [6] . On tehty tutkimuksia fMRI:n tehokkuuden testaamiseksi petoksen havaitsemisessa [14] . Samaa tarkoitusta varten tutkittiin EEG:n mahdollisuuksia [15] . TMS:ää testataan mahdollisten hoitojen luomiseksi potilaille, joilla on persoonallisuushäiriöitä, epilepsiaa, posttraumaattista stressihäiriötä , migreeniä ja muita aivosairauksia [8] . Lisäksi PET-skannausten on osoitettu olevan 93 % tarkkoja Alzheimerin taudin havaitsemisessa [16] .
Kantasolujen osalta tutkimukset ovat osoittaneet, että valtaosa aivoista ei toipu tai palautuu erittäin vaikeasti [17] , mutta samalla joillakin aivojen osilla on hyvät regeneratiiviset kyvyt (erityisesti hippokampuksella ja hajulampuilla) . [18] . Suuri osa keskushermostoa koskevasta tutkimuksesta on omistettu keinojen löytämiseen aivojen regeneratiivisten ominaisuuksien parantamiseksi. On olemassa menetelmiä, jotka parantavat kognitiivisia toimintoja ja lisäävät hermopolkujen määrää [2] , mutta ne eivät salli hermosolujen nopeaa leviämistä aivoissa. Monet tutkijat yrittävät istuttaa selkäydinvammapotilaille tukirakenteita, jotka edistävät aksonien (sähköisiä signaaleja välittävien hermosolujen osien) kasvua, jotta potilaat alkavat saada takaisin kykynsä liikkua tai tuntea [19] . Teknologioiden potentiaali on erittäin laaja, samalla kun monet teknologiat ovat vielä laboratoriotutkimuksen vaiheessa [20] . Jotkut tutkijat suhtautuvat edelleen skeptisesti kantasolujen mahdollisuuksiin uskoen, että sähköproteesit pystyvät ratkaisemaan paremmin lääketieteellisiä ongelmia, kuten kuulonaleneman tai halvauksen [21] .
Lääkkeiden annostelujärjestelmiä tutkitaan parantamaan niiden aivosairauksista kärsivien elämää, joita ei voida hoitaa muuten. Aivoissa on erittäin vahva este, joka estää tiettyjen veren lääkkeiden pääsyn aivoihin siirtymästä verestä aivoihin. Aivokalvontulehduksen kaltaiset sairaudet edellyttävät lääkäreiden pistämistä suoraan selkäytimeen, koska sopivat lääkkeet eivät voi ylittää veri-aivoestettä [22] . Parhaillaan tutkitaan uusia tapoja lääkkeiden päästä aivoihin verenkierron kautta, koska lääke on paljon helpompi pistää verenkiertoon kuin selkärangaan. Uusia teknologioita, kuten nanoteknologiaa , tutkitaan lääkkeiden valikoivaa jakelua varten, mutta niissä ei ole haittoja. Jos lääkepartikkelit ovat liian suuria, ne metaboloituvat maksassa; samaan aikaan pienet annokset eivät anna terapeuttista vaikutusta. Lisäksi on otettava huomioon kapillaarihuokosten koko, koska liian suuret hiukkaset voivat tukkia reiän ja estää riittävän lääkkeen virtauksen aivoihin [23] . Toinen suunta on reseptorivälitteisen kuljetuksen luominen, joka neutraloi veri-aivoestettä ylläpitävät reseptorit aivoissa [24] . Oletetaan, että tämä este voidaan poistaa ultraäänellä [25] . Lääkeannostelujärjestelmien perimmäisenä tavoitteena on kehittää menetelmä, joka maksimoi kohdeaivoalueille toimitettavan lääkkeen määrän mahdollisimman vähiten hajoamalla verenkierrossa.
Neuromodulaatiota käytetään tällä hetkellä liikehäiriöistä kärsiville potilaille, vaikka teknologiaa tutkitaan myös muihin sairauksiin. Viime aikoina aiheesta on tehty tutkimusta, että jos DBS voi auttaa masennuksessa, sillä on myös potentiaalia hoitaa useita aivojen häiriöitä [21] . Toistaiseksi DBS:ää ovat rajoittaneet sen korkeat kustannukset [11] . DBS:stä ollaan luomassa uutta versiota, joka on kehittynyt uuteen suuntaan nimeltä optogenetiikka [20] . Optogenetiikka sisältää syvän aivojen stimulaation, jossa yhdistyvät valokuitu ja geeniterapia . Kuituoptiset kaapelit on suunniteltu valaistuiksi sähkövirralla, ja proteiinia voidaan lisätä hermosoluon valoärsykkeiden vaikutuksesta [25] . Neuromodulaatiolla on laaja valikoima sovelluksia, mutta sen käytön vaikutus on usein väliaikainen. Tavoitteena on maksimoida DBS-efektin kesto. Toinen tapa soveltaa neuromodulaatiota olisi luoda aivojen ja tietokoneiden rajapintoja , joiden avulla halvaantuneet ihmiset voivat välittää ajatuksensa tietokoneen näytölle [26] .
Alkion kantasolujen käytön etiikka on ollut kiistanalainen Yhdysvalloissa ja muualla maailmassa. Alkion kantasolujen käytön tärkein etu on, että ne voidaan mukauttaa melkein minkä tahansa tyyppisiin soluihin. Shinya Yamanakan löydöt uusista tavoista luoda indusoituja kantasoluja vähensivät keskustelun intensiteettiä [27] . Samaan aikaan indusoidut solut voivat mahdollisesti johtaa hyvänlaatuisten kasvainten muodostumiseen, eivätkä yleensä selviä hyvin luonnollisissa olosuhteissa (elävässä kehossa) [28] .
Hallitukset ovat aina käyttäneet uutta neuroteknologiaa valheenpaljastimista ja virtuaalitodellisuustekniikoista kuntoutukseen ja psyyken ymmärtämiseen. Jopa 12 % amerikkalaisista sotilaista palaa Irakista ja Afganistanista posttraumaattisen stressihäiriön (PTSD) kanssa [29] . Yhdistämällä lääkkeitä ja neuroteknologiaa jotkut tutkijat ovat löytäneet tapoja vähentää "pelkoa" ja teoriassa, että tuloksia voitaisiin soveltaa PTSD:n hoitoon [30] . Virtuaalitodellisuus on toinen tekniikka, joka on saanut paljon huomiota armeijalta. Sitä voitaisiin käyttää sotilaiden parempaan kouluttamiseen.
Lopuksi neuroteknologiat voivat paljastaa jotain, jonka ihmiset usein pitävät salassa: mitä he ajattelevat. Huolimatta neuroteknologian kehityksen suurista eduista, tutkijoiden ja poliitikkojen tulisi pohtia mahdollisia seurauksia " kognitiiviselle vapaudelle ". Termi on tärkeä monille piireille, jotka ovat kiinnostuneita neurotekniikan edistyksen tavoitteista (katso neuroetiikka ). Jatkuvat parannukset, kuten " mielenjälkien " lukeminentai valheen havaitseminen EEG:tä tai fMRI:tä käyttäen, voi aiheuttaa monenlaisia epämiellyttäviä assosiaatioita, vaikka näiden tekniikoiden täysi soveltaminen jatkuu useiden vuosien ajan [31] . Jotkut eettiset tutkijat ovat myös huolissaan TMS:n käytöstä; he pelkäävät, että tätä tekniikkaa voitaisiin käyttää muuttamaan potilaita ei-toivotulla tavalla [8] .
Neurotiede | |
---|---|
Perustiede |
|
Kliininen neurotiede |
|
Kognitiivinen neurotiede |
|
Muut alueet |
|