Нейротехнологии что это такое


Нейротехнологии — Википедия

Нейротехноло́гии — это любые технологии, которые оказывают фундаментальное влияние на то, как люди понимают мозг и различные аспекты сознания, мыслительной деятельности, высших психических функций. Включают в себя также технологии, которые предназначены для улучшения и исправления функций мозга и позволяют исследователям и врачам визуализировать мозг.

Отрасль нейротехнологий насчитывает полувековой возраст, однако своей зрелости достигла только в последние 20 лет. Ключевым событием стало появление нейровизуализации, которая позволила учёным наблюдать работу мозга прямо во время экспериментов. Нейротехнологии оказали существенное влияние на общество, хотя их присутствие является настолько незаметным, что немногие замечают их вездесущность. От фармацевтических препаратов до сканирования мозга, нейротехнологии прямо или косвенно затрагивают почти всё население развитых стран, будь то препараты от депрессии, бессонницы, cиндрома дефицита внимания и гиперактивности, антиневротические средства или сканирование на наличие рака, восстановление после инсульта (англ.)русск. и многое другое.

По мере развития отрасли она позволит обществу контролировать и использовать многие из возможностей мозга, влияющих на личность и образ жизни. Довольно распространённые технологии уже пытаются делать это; игры вроде Brain Age[1] и программы типа Fast ForWord[2], целью которых является улучшение функций мозга, принадлежат к разряду нейротехнологий.

В настоящее время наука способна изобразить почти все аспекты строения и функционирования мозга. Это помогает контролировать депрессию, гиперактивность, бессонницу и многое другое. В терапии это может помочь жертвам инсульта в улучшении координации движений, может способствовать улучшению функционирования мозга, снижению числа приступов эпилепсии, может помочь пациентам с расстройствами двигательных функций (болезни Паркинсона, Хантингтона, БАС) и даже помогает облегчить фантомную боль[3]. Достижения в области нейротехнологий обещают множество новых методов реабилитации больных, испытывающих неврологические проблемы. Нейротехнологическая революция вызвала к жизни инициативу Десятилетие мышления, стартовавшую в 2007 году[4]. Также она даёт возможность выявить механизмы, посредством которых в мозге рождаются разум и сознание.

Визуализация[править | править код]

Магнитно-резонансная томография (МРТ) применяется для сканирования топологических и знаковых структур мозга, а также для визуализации мозговой активности. Применение МРТ имеет далеко идущие последствия в нейронауках. Это краеугольный камень в изучении мышления, в особенности после появления функциональной МРТ (фМРТ)[5]. Функциональная МРТ измеряет зависимость активизации участков мозга от повышения уровня кислорода. Технология даёт возможность строить карту ассоциативных связей между различными участками и областями мозга, в том числе выявлять новые участки и области. Благодаря фМРТ пациенты могут в режиме реального времени видеть, как их мозг реагирует на раздражители, тем самым получать визуальную обратную связь[6].

Компьютерная томография (КТ) является другой технологией сканирования мозга, используемой с 1970-х годов. Хотя в академической среде многие из функций КТ сегодня переходят к МРТ, первая по-прежнему используется в учреждениях здравоохранения для обнаружения активности и повреждений мозга. Используя рентген, учёные фиксируют в мозге радиоактивные метки, которые указывают на точки активности как инструмент для установления связей в мозге, а также выявляют множество травм/болезней, которые могут причинить мозгу долговременный ущерб (такие, как аневризма или рак) [5].

Позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ) это ещё один метод визуализации, который настроен на фиксацию маркёров, являющихся источниками позитронного излучения (таких, как глюкоза)[5]. ПЭТ применяется всё чаще, потому что позволяет выявлять процессы метаболизма: проблемные участки мозга потребляют больше глюкозы.

Транскраниальная магнитная стимуляция[править | править код]

Транскраниальная магнитная стимуляция (ТМС) по сути является прямой магнитной стимуляцией мозга. Поскольку электрические токи и магнитные поля неразрывно связаны, воздействие магнитных импульсов на конкретные участки мозга позволяет получать прогнозируемый эффект[7]. Эта область исследований в настоящее время получает большое внимание в связи с потенциальной выгодой от лучшего понимания данной технологии [8].

Микрополяризация[править | править код]

Микрополяризация это форма нейростимуляции, использующая постоянный ток низкого напряжения, который подаётся непосредственно в интересующую зону мозга через небольшие электроды. Первоначально была разработана для помощи пациентам с повреждениями мозга, такими, как инсульты. Тем не менее, исследования по использованию микрополяризации на здоровых взрослых людях показали, что методика может увеличить когнитивные способности для решения различных задач, в зависимости от стимулируемой области мозга. Микрополяризация использовалась для улучшения языковых и математических способностей (хотя одна из её форм способна затормозить обучение математике[9]), развития внимания, улучшения памяти[10] и координации.

Измерения на поверхности черепа[править | править код]

Электроэнцефалография (ЭЭГ) является неинвазивным методом измерения волновой активности мозга. Вокруг головы размещаются ряд электродов, которые улавливают электрические сигналы. Обычно ЭЭГ используется при работе в состоянии сна, так как существуют характерные волновые структуры, связанные с различными стадиями сна[5]. Электроэнцефалография имеет основополагающее значение в исследовании того, как отдыхает мозг. В клинических целях ЭЭГ используются для изучения эпилепсии, а также инсульта и опухолей мозга.

Магнитоэнцефалографией (МЭГ) называется другой метод измерения активности мозга, он замеряет магнитные поля, образуемые электрическими токами в мозге. Преимущество МЭГ перед ЭЭГ заключается в том, что магнитные поля более локализованы, что позволяет лучше отслеживать реакцию различных участков мозга, а также выявлять перевозбуждение (как в случае эпилептических припадков).

Имплантаты[править | править код]

Нейроимплантаты это любые устройства, используемые для контроля или регулирования деятельности мозга. В настоящее время существует несколько имплантатов, доступных для клинического применения при лечении болезни Паркинсона. Наиболее распространёнными нейроимплантатами являются глубокие стимуляторы мозга (DBS), которые используются для электростимуляции в парализованных участках мозга. Как известно, болезнь Паркинсона вызывается параличом базальных ганглий, и недавно DBS стали более предпочтительной формой для её лечения, хотя по-прежнему актуальны вопросы исследования эффективности DBS[11].

Нейромодулирование (англ.)русск. сравнительно новое направление, которое сочетает в себе использование нейроимплантатов и нейрохимию. В основе этого метода лежит представление о том, что мозг может регулироваться с помощью различных факторов (метаболических, физиологических, электростимуляции), действие которых способны промодулировать устройства, имплантированные в нейронную сеть. В настоящее время данный метод находится ещё в стадии исследований. Для его применения успешного необходимо создание устройств, которые вызывают как можно меньшую негативную реакцию со стороны организма. Этим занимается химия поверхности нейронных имплантатов (англ.)русск..

Клеточная терапия[править | править код]

Учёные начинают изучать возможности использования в головном мозге стволовых клеток, которые недавно были обнаружены в нескольких участках. В ходе экспериментов стволовые клетки успешно используются в мозге детей, которые пострадали от родовых травм, и у пожилых людей с дегенеративными заболеваниями. Стволовые клетки помогают побудить мозг производить новые клетки и устанавливать больше связей между нейронами.

Фармацевтика[править | править код]

Фармацевтические препараты играют важную роль в поддержании химии мозга в стабильном состоянии и являются наиболее часто используемыми нейротехнологиями. Такие лекарства, как сертралин, метилфенидат и золпидем, действуют в качестве химических регуляторов мозга (для более подробной информации см. нейропсихофармакология (англ.)русск.).

Стимуляция слабыми магнитными полями[править | править код]

Стимуляция с помощью слабых магнитных полей (англ.)русск. изучается сейчас как средство борьбы с депрессией в Гарвардской медицинской школе, а ранее рассматривалась Гленном Беллом[12], Эндрю Марино[13] и другими исследователями.

Будущее нейротехнологий заключается не столько в том, какие новые методы появятся, а в том, каковы будут сферы применения технологий. Так, в настоящее время фМРТ исследуется как метод противоболевой терапии. Получая обратную связь о функционировании мозга во время приступов боли, пациенты могут уменьшать болевые симптомы[6]. Проведены исследования по тестированию эффективности фМРТ для распознавания лжи[14]. С той же самой целью изучались возможности ЭЭГ[15]. ТМС испытывается для создания возможных методов лечения пациентов с расстройствами личности, эпилепсией, посттравматическим стрессом, мигренью и другими расстройствами мозга[8]. Помимо этого, сканирование с помощью ПЭТ показало 93 % точности в обнаружении болезни Альцгеймера[16].

Что касается стволовых клеток, исследования показали, что подавляющая часть мозга не восстанавливается либо восстанавливается очень тяжело[17], но в то же время некоторые части мозга обладают хорошими регенеративными способностями (особенно гиппокамп и обонятельные луковицы)[18]. Большая часть исследований центральной нервной системы посвящена поиску способов улучшить регенеративные качества мозга. Важно отметить, что существуют методы, которые улучшают познавательные функции и способствуют увеличению количества нейронных путей[2], однако они не дают быстрого распространения нервных клеток в мозге. Многие учёные пытаются вживлять пациентам с травмой спинного мозга каркасы, которые способствуют росту аксонов (порций нервных клеток, способных к передаче электрических сигналов), так что у пациентов начинает возвращаться способность передвигаться или чувствовать[19]. Потенциал технологий очень широк, в то же время многие из технологий пока пребывают в стадии лабораторных исследований[20]. Некоторые учёные остаются скептически настроенными в отношении возможностей стволовых клеток, полагая, что у электрических протезов больше шансов на решение медицинских проблем вроде потери слуха или паралича[21].

Системы доставки лекарственных веществ изучаются в целях улучшения жизни тех, кто борется с расстройствами мозга и при этом не может лечиться с помощью иных методов. Мозг обладает очень сильным барьером, который предотвращает попадание в него из крови некоторых препаратов от перехода из крови в мозг. Такие заболевания, как менингит, требуют от врачей необходимости вводить лекарство напрямую в спинной мозг, потому что соответствующие препараты не могут преодолеть гемато-энцефалический барьер[22]. Ведутся исследования новых способов проникновения препаратов в мозг через кровоснабжение, так как препарат гораздо легче впрыснуть в кровь, чем в позвоночник. Исследуются новые технологии вроде нанотехнологий с целью селективной доставки лекарств, однако они не лишены недостатков. Если частицы лекарств слишком большие, они будут утилизироваться печенью; в то же время маленькие порции не дадут лечебного эффекта. Помимо этого, необходимо учитывать размер капиллярной поры, потому что слишком крупные частицы могут заткнуть отверстие, предотвращая достаточное поступление препарата в мозг[23]. Другим направлением является создание рецептор-опосредованного транспорта, который нейтрализует рецепторы в мозге, поддерживающие гемато-энцефалический барьер[24]. Имеется предположение, что указанный барьер можно устранить за счёт ультразвука[25]. Конечной целью для систем доставки лекарств является разработка метода, который максимизирует количество получаемого целевыми участками мозга препарата с минимально возможным его разрушением по пути в кровеносном русле.

Нейромодуляция используется сейчас для пациентов с двигательными нарушениями, хотя проводятся исследования в направлении того, чтобы применять эту технологию и для лечения других расстройств. Недавно было проведено исследование на тот предмет, что если DBS может помочь при депрессии, то она имеет также потенциал для терапии нескольких расстройств в мозге[21]. Пока что распространение DBS ограничивается его высокой стоимостью[11]. Создаётся новая версия DBS, которая развилась в новое направление под названием оптогенетика[20]. Оптогенетика предполагает глубокую стимуляцию мозга, соединяя волоконную оптику и генотерапию. Волоконно-оптические кабели предназначены для освещения под действием электрического тока, и белок может добавляться к нейрону под влиянием световых стимулов[25]. Нейромодуляция имеет широкий спектр применения, однако эффект от её применения часто является временным. Цель состоит в максимальном увеличении срока действия эффекта от применения DBS. Другим способом применения нейромодуляции стало бы создание нейро-компьютерных интерфейсов, позволяющих парализованным людям передавать свои мысли на экран компьютера[26].

Стволовые клетки[править | править код]

Этичность использования эмбриональных стволовых клеток вызвала споры в США и других странах мира. Главным преимуществом в использовании эмбриональных стволовых клеток является то, что они могут подойти к почти любому типу клеток. Открытия Синъя Яманаки в отношении новых способов создания индуцированных стволовых клеток снизили накал дискуссии[27]. В то же время индуцированные клетки в потенциале могут привести к формированию доброкачественных опухолей, и, как правило, плохо выживают в естественных условиях (в живом теле)[28].

Военное применение[править | править код]

Новые нейротехнологии всегда использовались правительствами, от детекторов лжи и технологий виртуальной реальности до реабилитации и понимания психики. До 12 % американских солдат возвращаются из Ирака и Афганистана с посттравматическим стрессовым расстройством (ПТСР)[29]. Комбинируя фармацевтические препараты и нейротехнологии, некоторые исследователи нашли способы снижения «страха» и теоретизируют насчёт возможности применения полученных результатов в лечении ПТСР[30]. Виртуальная реальность является ещё одной технологией, которая привлекла большое внимание военных. Она могла бы использоваться для лучшего обучения солдат.

Приватность[править | править код]

Наконец, нейротехнологии могут выявить вещь, которую люди часто держат в секрете: о чём они думают. Несмотря на большие выгоды от развития нейротехнологий, учёные и политики должны задуматься о возможных последствиях для «когнитивной свободы». Данный термин важен для многих кругов, обеспокоенных целями прогресса в области нейротехнологий (см. нейроэтика). Текущие улучшения, такие, как чтение «отпечатков мыслей (англ.)русск.» или выявление лжи с помощью ЭЭГ или фМРТ, может породить целый набор неприятных ассоциаций, хотя до полного применения этих технологий остаются ещё долгие годы[31]. Некоторые специалисты по этике обеспокоены также использованием ТМС; они опасаются, что данная технология может использоваться для изменения пациентов нежелательными способами[8].

  1. ↑ Nintendo Company of America.
  2. 1 2 Broman S. H., Fletcher J. The changing nervous system: Neurobehavioral consequences of early brain disorders. — Oxford University Press, 1999. — 428 p. — ISBN 978-0195121933.
  3. Doidge N. The Brain that changes itself: Stories of personal triumph from the frontiers of brain science. — Viking Press, 2007. — 427 p. — ISBN 978-8178241753.
  4. «The Decade of the Mind».
  5. 1 2 3 4 Purves, 2004.
  6. 1 2 deCharms Ch. et al. Control over brain activation and pain learned by using real-time functional MRI (англ.) // Proceedings of the National Academy of Sciences : журнал. — 2005. — 20 December (no. 51). — P. 18626–18631. — ISSN 0027-8424. — doi:10.1073/pnas.0505210102. — PMID 16352728.
  7. Wassermann E. M. Risk and safety of repetitive transcranial magnetic stimulation (англ.) // Electroencephalography and Clinical Neurophysiology : журнал. — Elsevier, 1998. — January (vol. 108, iss. 1). — P. 1-16. — ISSN 1388-2457. — doi:10.1016/S0168-5597(97)00096-8. — PMID 9474057.
  8. 1 2 3 Illes J. et al. An ethics perspective on transcranial magnetic stimulation (TMS) and human neuromodulation (англ.) // Behavioral neurology : журнал. — 2006. — 21 November (vol. 17, iss. 3-4). — P. 149-157. — doi:10.1155/2006/791072. — PMID 17148834.
  9. Grabner R. H. et al. Transcranial direct current stimulation of the posterior parietal cortex modulates arithmetic learning (англ.) // European Journal of Neuroscience : журнал. — Wiley-Blackwell, 2015. — 15 June (vol. 42, iss. 1). — P. 1667-1674. — ISSN 1460-9568. — doi:10.1111/ejn.12947. — PMID 25970697.
  10. Gray S. J. et al. Electrically stimulating prefrontal cortex at retrieval improves recollection accuracy (англ.) // Cortex : журнал. — Elsevier, 2015. — December (vol. 73). — P. 188-194. — ISSN 0010-9452. — doi:10.1016/j.cortex.2015.09.003. — PMID 26457823.
  11. 1 2 Gross R. E. What happened to posteroventral pallidotomy for Parkinson’s disease and dystonia? (англ.) // Neurotherapeutics : журнал. — Springer Science+Business Media, 2008. — April (vol. 5, iss. 2). — P. 281-293. — ISSN 1878-7479. — doi:10.1016/j.nurt.2008.02.001. — PMID 18394570.
  12. Bell G. B. et al. Alterations in brain activity caused by magnetic fields: Detecting the detection process (англ.) // Electroencephalography and Clinical Neurophysiology : журнал. — Elsevier, 1992. — December (vol. 83, iss. 6). — P. 389-397. — ISSN 1388-2457. — doi:10.1016/0013-4694(92)90075-S. — PMID 1281085.
  13. Marino A. A. et al. Effect of low-frequency magnetic fields on brain electrical activity in human subjects (англ.) // Clinical Neurophysiology : журнал. — Elsevier, 2004. — May (vol. 115, iss. 5). — P. 1195–1201. — ISSN 1388-2457. — doi:10.1016/j.clinph.2003.12.023. — PMID 15066545.
  14. Langleben D. D. et al. Brain activity during simulated deception: An event-related functional magnetic resonance study (англ.) // NeuroImage : журнал. — Elsevier, 2002. — March (vol. 15, iss. 2). — P. 727–732. — ISSN 1053-8119. — doi:10.1006/nimg.2001.1003. — PMID 11848716.
  15. Farwell L. A., Smith S. S. Using brain MERMER testing to detect knowledge despite efforts to conceal (англ.) // Journal of Forensic Sciences : журнал. — American Academy of Forensic Sciences, 2001. — January (vol. 46, iss. 1). — P. 135-143. — ISSN 1556-4029. — PMID 11210899.
  16. Mosconi L. et al. Early detection of Alzheimer’s disease using neuroimaging (англ.) // Experimental Gerontology : журнал. — Elsevier, 2007. — Vol. 42, iss. 1-2. — P. 129–138. — ISSN 0531-5565. — doi:10.1016/j.exger.2006.05.016. — PMID 16839732.
  17. Sur M., Rubenstein J. L. R. Patterning and plasticity of the cerebral cortex (англ.) // Science : журнал. — 2005. — 4 November (vol. 310, no. 5749). — P. 805-810. — ISSN 0036-8075. — doi:10.1126/science.1112070. — Bibcode: 2005Sci...310..805S. — PMID 16272112.
  18. Eriksson P. S. et al. Neurogenesis in the adult human hippocampus (англ.) // Nature Medicine : журнал. — Nature Publishing Group, 1998. — November (no. 4). — P. 1313-1317. — ISSN 1078-8956. — doi:10.1038/3305. — PMID 9809557.
  19. ↑ Embryonic stem cell therapy restores walking ability in rats with neck injuries (англ.), Science Daily (10 November 2009). Дата обращения 29 декабря 2015.
  20. 1 2 Lynch Z. The future of neurotechnology innovation (англ.) // Epilepsy & Behavior : журнал. — Elsevier, 2009. — June (vol. 15, iss. 2). — P. 120-122. — ISSN 1525-5050. — doi:10.1016/j.yebeh.2009.03.030. — PMID 19328869.
  21. 1 2 Personal correspondence with Dr. Robert Gross
  22. ↑ Breakthrough in the treatment of bacterial meningitis (англ.), Science Daily (15 May 2009). Дата обращения 30 декабря 2015.
  23. Tsuji J. S. et al. Research strategies for safety evaluation of nanomaterials. Part IV: risk assessment of nanoparticles (англ.) // Toxicological Sciences : журнал. — Oxford University Press, 2005. — 21 September (vol. 89, iss. 1). — P. 42-50. — ISSN 1096-0929. — doi:10.1093/toxsci/kfi339. — PMID 16177233.
  24. Demeule M. et al. Involvement of the low-density lipoprotein receptor-related protein in the transcytosis of the brain delivery vector Angiopep-2 (англ.) // Journal of Neurochemistry : журнал. — International Society for Neurochemistry, 2008. — 19 May (vol. 106, iss. 4). — P. 1534-1544. — ISSN 1471-4159. — doi:10.1111/j.1471-4159.2008.05492.x. — PMID 18489712.
  25. 1 2 Adamantidis A. R. et al. Neural substrates of awakening probed with optogenetic control of hypocretin neurons (англ.) // Nature : журнал. — Nature Publishing Group, 2007. — 17 October (vol. 450, iss. 7168). — P. 420-424. — ISSN 0028-0836. — doi:10.1038/nature06310. — Bibcode: 2007Natur.450..420A. — PMID 17943086.
  26. Hochberg L. R. et al. Neuronal ensemble control of prosthetic devices by a human with tetraplegia (англ.) // Nature : журнал. — Nature Publishing Group, 2006. — 13 July (vol. 442, iss. 7099). — P. 164-171. — ISSN 0028-0836. — doi:10.1038/nature04970. — Bibcode: 2006Natur.442..164H. — PMID 16838014.
  27. Takahashi K., Yamanaka S. Induction of pluripotent stem cells from mouse embryonic and adult fibroblast cultures by defined factors (англ.) // Cell : журнал. — Cell Press, 2006. — 10 August (vol. 126, iss. 4). — P. 663-674. — ISSN 0092-8674. — doi:10.1016/j.cell.2006.07.024. — PMID 16904174.
  28. Laflamme M. A. et al. Cardiomyocytes derived from human embryonic stem cells in pro-survival factors enhance function of infarcted rat hearts (англ.) // Nature Biotechnology : журнал. — Nature Publishing Group, 2007. — 26 August (vol. 25, iss. 9). — P. 1015-1024. — ISSN 1087-0156. — doi:10.1038/nbt1327. — PMID 17721512.
  29. «National Center for PTSD Home».
  30. Ressler K. J. Cognitive enhancers as adjuncts to psychotherapy: use of D-cycloserine in phobic individuals to facilitate extinction of fear (англ.) // Archives of General Psychiatry : журнал. — Американская медицинская ассоциация, 2004. — 1 November (vol. 61, no. 11). — P. 1136-1144. — ISSN 1538-3636. — doi:10.1001/archpsyc.61.11.1136. — PMID 15520361.
  31. Wolpe P. R. Emerging neurotechnologies for lie-detection: promises and perils (англ.) // American Journal of Bioethics : журнал. — Taylor & Francis, 2005. — Vol. 5, iss. 2. — P. 39-49. — ISSN 1536-0075. — doi:10.1080/15265160590923367. — PMID 16036700.

Рекомендуемая литература[править | править код]

Нейротехнологии | intalent.pro

«Научная Россия», рубрика «Нейронауки» — научно-популярный портал, рассказывающий о последних открытиях в различных областях, в том числе и в нейротехе.

«В мире науки», рубрика «Нейронауки» — научно-информационный журнал для всех, кто хочет быть в курсе последних достижений мировой общественной и научной мысли.

«Чердак», рубрика «Нейронауки» — научно-популярный портал, ориентированный на молодежную аудиторию, которая увлекается современными технологиями и передовыми научными исследованиями, в том числе, в сегменте нейротехнологий. Публикует новости, статьи, интервью с российскими исследователями.

Yo! Brain — блог об исследованиях в области психологии и нейронаук, в котором публикуются свежие новости об устройстве человеческой психики, а также некоторые статьи об интересных фактах, связанных с нашим мозгом и сознанием.

Newtonew — просветительский медиа-проект об образовании, посвящённый самым актуальным и полезным концепциям, теориям и методикам, технологиям и исследованиям, продуктам и сервисам.

«Поп-наука», рубрика «Нейронауки» — сайт Политехнического музея, на котором с целью просвещения читателей любого возраста размещены новости, статьи и блоги специалистов в различных областях, в том числе и в нейронауках.

«Элементы», новости нейробиологии — научно-популярный проект, который создают ученые, стараясь распространять знания в современной и доступной форме.

«Медач», рубрика «Нейронауки» — ресурс для медиков, публикующий как оригинальные, так и переведенные с английского языка материалы, которые выходили в ведущих научных журналах (Nature, Science).

НИУ ВШЭ, новости нейроэкономики — сайт НИУ «Высшая школа экономики», размещающий новости, статьи и интервью со специалистами в области нейроэкономики.

«Нейротехнологии.рф» — ресурс, публикующий информацию о самых последних достижениях и истории развития нейронаук.

«Современные нейронауки» — научно-образовательный портал, на котором специалисты в нейронауках и студенты смогут найти протокол эксперимента, ознакомиться с той или иной методикой или просто задать вопрос своим коллегам.

«Нейронет» — сайт отраслевого союза «Нейронет», занимающегося развитием и продвижением нейротехнологий в России. На сайте можно прочитать новости и обзоры мероприятий, посвященных нейротехнологиям.

Молодежное общество нейротехнологов — портал молодежного общества нейротехнологов, где можно почитать статьи и новости, заочно познакомиться с ведущими специалистами в области нейротехнологий и узнать о предстоящих мероприятиях.

Аналитический доклад — подходы к формированию и запуску новых отраслей промышленности в контексте НТИ, на примере сферы «Технологии и системы цифровой реальности и перспективные «человеко-компьютерные» интерфейсы (в части нейроэлектроники)».

Neuroscience For Kids — нейронауки для самых маленьких: англоязычный сайт с играми для детей, благодаря которым они смогут лучше узнать о работе мозга.

The Brain Geek — блог о нейронауках, предназначенный для детей и взрослых, автор которого не только объясняет базовые вещи, необходимые для того, чтобы ориентироваться в работе мозга, но также занимается развенчанием популярных научных мифов.

Backyard Brains — сайт американского стартапа Backyard Brains, на котором компания выкладывает свои курсы, записи экспериментов и даже собственное оборудование. На сайте можно бесплатно скачать схему какого-либо устройства и воспроизвести прибор в домашних условиях.

Neuroscience News — научно-популярный сайт о нейро- и других когнитивных науках.

BrainFacts.org — портал, публикующий новости и информацию о новейших исследованиях в области нейротехнологий.

SharpBrains — независимая компания, которая отслеживает и публикует отчеты о работе различных нейроразработок, собирающих биологические данные с тела человека.

Neuroscience from Elsevier — научный журнал, посвященный нейротехнологиям, выпускаемый одним из крупнейших издательских домов мира. Подписка на журнал платная.

Сергей Шишкин. О будущем нейротехнологий и интерфейсах мозг–компьютер.

– Что такое нейротехнологии?
– Нейротехнологии — это технологии, которые тем или иным способом работают с нервной системой человека: они позволяют получать информацию о том, что в ней происходит, или обеспечивают воздействие на нее. Чаще всего нейротехнологии создаются для лечения заболеваний нервной системы и для восстановления функций, утраченных из-за болезни. Но существуют и перспективы их использования для расширения возможностей человека.

Например, многие слышали про интерфейсы «мозг — компьютер» — это устройства, с помощью которых мозг может напрямую отдавать команды компьютеру или роботу. В обычной работе с компьютером мы используем так называемый пользовательский интерфейс, в состав которого, в частности, могут входить клавиатура и мышь, или, скажем, тачскрин. Хотя основное назначение компьютера — помогать нам в интеллектуальной деятельности, для ввода в него информации и отдачи ему команд с помощью этих устройств мы должны использовать наши мышцы. А вот интерфейс «мозг — компьютер», как можно понять из названия, обеспечивает прямое взаимодействие мозга с компьютером: он позволяет отдавать ему команды, буквально не пошевелив и пальцем.

К нейротехнологиям относятся и разработки, связанные с восстановлением функций органов чувств. К примеру, Food and Drug Administration (Управление по надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов, США) не так давно одобрило устройство BrainPort, которое позволяет буквально видеть языком. Изображение фиксирует небольшая камера, прикрепленная к очкам. Данные с нее поступают на специальное устройство, которое как бы проецирует картинку на язык при помощи множества электродов, накладываемых на него. В этой остроумной технологии используется способность наших сенсорных (воспринимающих) систем обучаться восприятию непривычной для них информации. Конечно, это устройство не обеспечивает полное восстановление зрения, но благодаря ему незрячие люди могут ориентироваться в окружающем их пространстве.Иногда к нейротехнологиям также относят машинный интеллект, использующий принципы, «подсмотренные» в нервной системе.

– Чем занимается отдел нейрокогнитивных технологий Курчатовского института?
– Мы разрабатываем такие разновидности нейротехнологий, в которых используются знания из когнитивных наук — наук о процессах, которые лежат в основе разума. Когнитивные науки оперируют, в частности, такими понятиями, как язык, память, внимание, намерение, принятие решений. Одна из наших основных задач — исследование мозговых механизмов появления намерения выполнить то или иное действие и применение полученных знаний для разработки новых интерфейсов «мозг — компьютер». Кроме того, в отделе разрабатываются технологии взаимодействия человека с роботами и компьютерными виртуальными агентами (которые могут выглядеть, например, как анимированный аватар) с использованием естественного человеческого языка и жестов, в том числе эмоционально окрашенных.

– Какие бывают интерфейсы «мозг — компьютер»?
– Все существующие интерфейсы «мозг — компьютер» можно разделить на две группы: инвазивные и неинвазивные. В инвазивных интерфейсах электроды помещают на поверхности мозга или вводят прямо в мозг. Когда электроды находятся в мозге, информацию можно считывать непосредственно с нервных клеток в виде электрических сигналов. Ученые обучают машинный интеллект распознаванию характерных рисунков (паттернов) в этих сигналах, которые соответствуют намерению отдать ту или иную команду, а мозг — умению вырабатывать такие паттерны, которые могут быть как можно быстрее и точнее распознаны машинным интеллектом. Особенно впечатляющих результатов на этом направлении добились специалисты из Питтсбурга. Они провели операцию женщине, парализованной ниже шеи — она могла говорить, но не могла двигаться. Вживив пациентке электроды, они в течение нескольких месяцев с помощью специально разработанных методик обучили женщину выполнять роботизированной рукой разнообразные движения, в том числе довольно сложные и точные, и этим частично восстановили ее двигательную функцию.

Однако любое вмешательство в мозг пока что весьма опасно, поэтому в подобных исследованиях операторами интерфейса сейчас становятся лишь тяжело больные людях, которым невозможно помочь другим способом, или обезьяны и другие животные. Но и больные, и даже здоровые люди могут работать с неинвазивными интерфейсами «мозг — компьютер», в которых используются совершенно безопасные методы получения сигналов из мозга. В этом случае электроды помещают на поверхности кожи головы — как ни удивительно, там также можно уловить электрическую активность мозга, в виде так называемой электроэнцефалограммы. К сожалению, в электроэнцефалограмме смешиваются между собой сигналы от разных нервных клеток и даже от разных областей мозга, они ослабляются, пока идут от мозга к коже, и «зашумляются» сигналами немозгового происхождения, например, связанные с сокращениями мышц и с морганием. Поэтому возможности неинвазивных интерфейсов значительно более ограничены, они медленно срабатывают и часто ошибаются. Но ученые продолжают совершенствовать эти системы, расширяют их возможности, делают более управляемыми.

– Где используют интерфейсы «мозг — компьютер»?
– Инвазивные интерфейсы предназначены в первую очередь для людей, чьи мышцы парализованы, но при этом когнитивные функции уцелели: такие пациенты думают, адекватно воспринимают мир, понимают окружающих, и невозможность двигаться и взаимодействовать с близкими приносит им тяжелые страдания. Пока что инвазивные интерфейсы находятся на экспериментальной стадии, но очевидно, что со временем их использование станет значительно менее опасным и более доступным для пациентов.

Неинвазивные интерфейсы также разрабатывают, прежде всего, для помощи парализованным людям. Так, делаются попытки создавать экзоскелеты (внешние каркасы, повторяющие человеческие движения и восполняющие утраченные функции, например, способность ходить — прим. сайта), хотя бы частично управляемые нейроинтерфейсами. Это устройство может совершать движения частично в автоматическом режиме, но важно, чтобы оно также откликалось на желания человека. Уже сегодня неинвазивные нейроинтерфейсы начинают использовать при реабилитации людей после инсульта, когда больные заново учатся совершать некогда привычные действия, например, двигать рукой. Обычно им поначалу помогают медсестры или родственники, но для восстановления нормальной работы мозга по управлению движениями важно, чтобы и сам пациент как можно раньше включался в эту работу. Нейроинтерфейс способен уловить, когда человек сам хочет совершить движение, и передать команду роботизированной системе, которая и помогает выполнить желаемое, к примеру, поднимает руку больного. Исследования еще не дали однозначный ответ насчет эффективности таких методик, но уже полученные данные говорят в пользу того, что они могут повышать успешность восстановления после инсульта.

А наиболее широкое применение на сегодняшний день нейроинтерфейсы нашли в играх. При использовании нейроинтерфейса мы управляем игрой с помощью мысли, оставаясь при этом неподвижными. Более того, для выполнения некоторых активных действий может требоваться как можно больше расслабиться. Нейроинтерфейсы подключают как к компьютерным играм, так и к игрушкам, способным физически перемещаться в пространстве — например, игрок получает возможность «силой мысли» управлять небольшим дроном. Чем-то такое действие напоминает волшебство. Очевидно, за это ощущение такие игры и пользуются популярностью.

Надо сказать, что разработчики подобных технологий нередко утаивают то, что основным управляющим сигналом в них далеко не всегда являются сигналы мозга: они могут в первую очередь откликаться на уровень напряжения мышц или, к примеру, на частоту морганий. Однако эти показатели тоже тесно связаны с изменениями состояния мозга, поэтому в каком-то смысле в этом случае тоже можно говорить о нейротехнологиях, пусть и не об интерфейсах «мозг — компьютер» в строгом смысле этого слова.

– В чем особенности интерфейсов «мозг — компьютер», которые разрабатывает ваш отдел?
– Основное направление нашей работы — создание новых технологий на основе объединения возможностей интерфейса «мозг — компьютер» и других технологий, и, прежде всего, управления компьютером с помощью взгляда.

Суть такого управления заключается в следующем. Обычно, когда мы хотим взять в руки какой-то предмет или что-то сделать с ним, мы сначала смотрим на него. Когда мы работаем за компьютером, то, прежде чем нажать на иконку программы или ссылку, мы переводим на них взгляд. Можно поставить перед человеком видеокамеру, навести ее на зрачки глаз и по ним определять, в какое конкретно место на экране смотрит человек в данный момент. Тогда, чтобы перейти по ссылке, можно просто немного задержать на ней взгляд — это будет равносильно щелчку мышки.

Уже сегодня существуют экранные клавиатуры для парализованных людей, работающие по такому принципу. И надо сказать, многим из их пользователей удается довольно быстро печатать на них, задерживая взгляд на нужных буквах. Однако мы не можем управлять взглядом точно так же, как и руками. Как ни странно, чаще всего люди даже не замечают, на чем останавливается их взгляд. И если перед нами не экранная клавиатура, а более сложная среда, в которой многое может непроизвольно привлечь наше внимание, взгляд будет часто выходить из-под контроля и, например, «щелкать» по тем ссылкам, по которым мы вовсе не собирались переходить.

В одном из наших проектов мы решили попробовать различать случаи, когда человек смотрит на ссылку или экранную кнопку для того, чтобы «щелкнуть» по ней, и такие, когда он смотрит без всякого специального намерения, просто разглядывая экран или задумавшись. Оказалось, что неинвазивный интерфейс «мозг — компьютер» может различить состояния мозга в этих двух случаях, анализируя особенности электроэнцефалограммы во время задержек взгляда и немедленно сообщая, нужно ли выполнить «щелчок» в той позиции, куда направлен взгляд. Пока что точность распознавания команды пользователя невысока, но мы только в начале пути, и, по-видимому, эта технология может быть значительно улучшена. По нашим оценкам, есть хорошие шансы создать на ее основе новое устройство, с помощью которого компьютером можно будет управлять, оставаясь неподвижным и даже полностью расслабленным. Возможно, это позволит существенно увеличить интеллектуальную продуктивность в некоторых видах деятельности, связанной с использованием компьютера.

– Как будут развиваться нейротехнологии в ближайшем будущем?
– В последние годы в мире вкладываются очень большие средства в развитие и самих нейротехнологий, и лежащих в их основе нейронаук. Это уже дает результаты: появляются новые возможности взаимодействия с мозгом, о которых совсем недавно можно было только мечтать, быстро расширяется набор методов, которые можно будет использовать как в исследованиях, так и в основе технологий. Очевидно, что с каждым годом мы будем все больше знать о мозге, и у нас будет все больше кирпичиков, из которых можно строить новые нейротехнологии.

– Какое образование должно быть у специалиста в области нейротехнологий?
– Нейротехнологии — область с очень высоким уровнем междисциплинарности. Чтобы в ней хорошо ориентироваться, нужно разбираться и в нейрофизиологии, и в математических методах, и, в зависимости от направления работы, в науках о материалах, в инженерии, в компьютерных технологиях и программировании, в молекулярной биологии, в психологии. Все это одновременно невозможно изучить на хорошем уровне, поэтому я бы посоветовал подростку выбирать в качестве основного то образование, к которому у него лежит душа. Например, участники наших проектов имеют базовое образование нейрофизиолога, психолога, математика, физика, лингвиста, а некоторые самостоятельно, но на очень хорошем уровне освоили программирование. Но в других областях науки и инженерии, с которыми связана разработка новой технологии, участнику проекта, безусловно, тоже надо в той или иной мере разбираться. И если вы хотите сами изобрести и реализовать в работающей нейротехнологии нечто совершенно новое, то, даже имея возможность сотрудничать со специалистами во всех нужных областях, вам придется и самому погружаться во все компоненты этой технологии и в соответствующие области научных знаний.

– Какие черты характера должны быть у специалиста по нейротехнологиям?
– В дополнение ко всему тому, что требуется от любого исследователя и разработчика, в этой области особенно важно иметь широкий кругозор, уметь воспринимать большие объемы очень разнообразной информации, быстро осваивать новые понятия и приемы работы. А необходимость много взаимодействовать со специалистами из различных областей науки и технологий означает, что нужно уметь понимать других людей, нередко использующих системы представлений о мире, очень отличающиеся от тех, к которым ты привык, и уметь доносить до них свои представления.

– Что вы могли бы посоветовать почитать и посмотреть подросткам, которые хотят больше узнать о нейротехнологиях?
– Сейчас есть немало интересных научно-популярных сайтов, например, сайт «Постнаука», где есть хорошие разделы по нейронаукам, нейротехнологиям и по смежным дисциплинам. Можно посмотреть — как на этом сайте, так и на других ресурсах в интернете — лекции нейробиолога Константина Владимировича Анохина из Национального исследовательского центра «Курчатовский институт», а также нейрофизиолога и нейротехнолога Александра Яковлевича Каплана из МГУ им. М.В. Ломоносова. Поскольку уровень нейронаук в России в целом пока что заметно уступает западному, очень стоит использовать зарубежные учебные ресурсы, такие как сайт Coursera: хотя он ориентирован прежде всего на студентов, многие курсы окажутся доступными и для школьника.

 

основные направления, вопросы развития и этики


Данный термин означает какие — либо технологии, которые основополагающим образом влияют на восприятие мозга человека как такового; многие возможности сознания; способности, свойственные только человеку, приобретенные в ходе эволюции; на подкорковую деятельность. В том числе и технологии, направленные для усовершенствования и корректировки работы мозговых структур и способствует визуальному исследованию мозга и его неограниченных возможностей.

Общие сведения

Собрание технологий, разработанных с точки зрения лучшего функционирования нервной системы. Так называемый, костяк для развития нового пласта глобальных технологий, нужных для создания новых рынков, производства, сервиса, включая– направление на повышение продолжительности жизни обеспечения здоровья человека.

Инновационные технологии

В мире инноваций появляются все новые методики и способы усовершенствования человеческого здоровья. На сегодняшний день существуют следующие новые варианты познания мозговой работы в целом:

  1. Визуализация.
  2. Транскраниальная магнитная стимуляция.
  3. Микрополяризация.
  4. Измерения на поверхности черепа.
  5. Имплантаты.
  6. Клеточная терапия.
  7. Фармацевтика.
  8. Стимуляция слабыми магнитными полями.

Визуализация

Магнитно-резонансная томография (МРТ) применяется в целях исследования топологических и знакового строения и частей мозга, и для возможности видеть мозговую деятельность. Использование МРТ весьма перспективно в сфере нейронного изучения. Это одна из важных сторон в изучении мышления, в частности после разработки функциональной МРТ. Такая томография устанавливает подчиненность активизации мозговых отделов от увеличения степени присутствия кислорода. Разработка позволяет сформировать расположение ассоциативного взаимомобмена среди всех полушарий и структурных элементов содержания человеческого черепа, и кроме того определять новые мозговые отделы и участки. Посредством именно такой томографии больные в режиме on line могут воочию увидеть, как их мозг отвечает на раздражающие факторы, таким образом получая зрительную обратную связь.

Компьютерная томография (КТ)- это еще одна методика исследования мозга, которая применяется с 1970-х годов. Невзирая на тот факт, что во всем научном мире большинство задач КТ на текущий момент включены в МРТ, первая все так же эксплуатируется в организациях здравоохранения в целях установления деятельности мозга и мозговых повреждений. Применяя рентген, научные спе6циалисты устанавливают в мозге радиоактивные пометки, указывающие на средоточие активности наподобие инструмента определения взаимообмена в мозге, и кроме того обнаруживают большое количество повреждений/ заболеваний, которые могут стать причиной хронического воздействия на основной орган человека (к примеру аневризма либо онкология).

Позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ) — один из способов визуализации, который направлен на регистрацию маркёров, которые являются причинами позитронных лучей (к примеру глюкоза). Этот способ используется всё больше, поскольку дает вероятность определения процессов обмена веществ: зонам мозга с патологией необходимо большее количество сахара.

Транскраниальная магнитная стимуляция

Транскраниальная магнитная стимуляция (ТМС) представляет собой непосредственную активацию мозга магнитом.

Электроток и магнитные поля неотделимы, влияние магнитных сигналов на определенные мозговые отделы обеспечивает реализации предполагаемого результата.

Данная сфера технологических разработок на сегодняшний день, возымела широкую популярность, поскольку от наилучшего постижения стимуляции мозга магнитом, гарантирована эффективность.

Микрополяризация

Микрополяризация это одна из методик нейростимуляции. Применяется беспеременный ток малого напряжения, который передаётся прямо в проблемную мозговую область посредством маленьких электродов. Изначально была создана для терапии травм и нарушений ГМ, например, как критическое нарушение кровообеспечения содержания черепной коробки. Несмотря на это, проведенные исследования методики на взрослых пациентах без отклонений и заболеваний обнаружили, что эта нейроактивация способна повысить интеллектуальный потенциал в поисках ответа на разные вопросы и задачи, под воздействием метода на конкретные мозговые зоны. Микрополяризация применялась для стимуляции языковых и арифметических способностей (однако один из её видов может замедлить обучение арифметики), формирования внимания, улучшения запоминающих возможностей и управления телом.

Измерения на поверхности черепа

(ЭЭГ)- это неинвазивный способ замера волновой деятельности ГМ. ЭЭГ проводится путем укрепления по кругу головы ряда электродов, воспринимающих электрические импульсы. Широкое применение данный метод нашел, при активации на человеке погруженном в сон, поскольку наблюдаются типичные волновые формирования, зависимые от разных стадий сна. Этот способ обладает ключевым значением в познавании того, каким образом восстанавливается при отдыхе человеческий мозг. В медицинских целях ЭЭГ применяется для исследования эпилепсии, а также критического нарушения кровообеспечения главного органа и новообразований в мозге.

Магнитоэнцефалография (МЭГ)- это несколько иной способ замера мозговой деятельности, он фиксирует магнитные поля, которые образовываются электротоками в головном мозге. Качественное различие МЭГ перед ЭЭГ состоит  в том, что магнитные поля разграничены в большей степени, что делает возможным лучшую визуализацию ответа разных мозговых зон, и кроме того установления перевозбуждения (к примеру эпилептический удар).

Имплантаты

Нейроимплантаты это какие- либо приспособления, применяемые для мониторинга или регуляции мозговой активности. На сегодняшний день, разработано некоторое количество имплантатов, применимых для лечебного использования болезни Паркинсона. Самыми широко популярными нейроимплантатами становятся углубленные стимуляторы мозговых структур (DBS), применимые в целях электростимуляции нефункционирующих мозговых зон. Не секрет, что синдром Паркинсона провоцируется замиранием подкоркового скопления клеток, отвечающего за некоторые двигательные функции, и не столь давно DBS стали наиболее приемлемым методом для её терапии, однако все еще не сняты вопросы изучения результативности данного метода.

Нейромодулирование относительно новая методика, включающая  в себя применение  нейроимплантатов и нейрохимию. В основании данной технологии лежит идея о том, что содержание черепной коробки может контролироваться посредством всевозможных причин (обменных, заложенных природой, стимуляции при помощи электротока), воздействие которых в состоянии смодулировать приспособления, внедренные в нейронную сетеобразную структуру. На текущий момент, эта методика пребывает все ещё на стадии разработки. Для его позитивного использования, требуется создание приборов, которые обеспечивают наиболее незначительное отрицательное проявление со стороны человеческого тела. Данным вопросом заняты все умы химиков, разрабатывающих внешний покров мозговых имплантатов.

Клеточная терапия

Наука сегодняшнего дня приступила к исследованию вероятности применения в ГМ человека стволовых клеток, не так давно обнаруженных в некоторых мозговых зонах. В процессе практических опытов стволовые клетки позитивно применяются в мозге малышей, которые подверглись различным травмам при родоразрешении, и у больных старшей возрастной группы с необратимыми болезнями. Данный биоматериал стимулирует мозг к производству новоиспеченных клеток и установлению большего количества коммуникации среди мозговых клеток.

Фармацевтика

Фармакологические продукты весьма принципиальны в обеспечении мозговой химии в неизменном состоянии и являются самыми широко применимыми технологиями воздействия на мозговую структуру. Подобные медикаменты, как сертралин, метилфенидат, активны в роли химически произведенных мозговых регуляторов.

Стимуляция слабыми магнитными полями

На данный момент времени, стимуляция посредством влияния малых магнитных полей, подвержен изучению как метод борьбы с меланхолией и угнетенно- отстраненным состоянием в  медшколе Гарварда, а перед этим изучалась многими научными деятелями.

Технологии будущего

Грядущее нейротехнологий состоит не исключительно в том, какие новейшие разработки нас ожидают, но и в том, каково будет поле деятельности их использования. Таким образом, на сегодняшний день фМРТ рассматривается как способ антиболевого лечения. Обладая информацией о работе ГМ в момент возникновения болезненного ощущения, больные сами становятся способными минимизировать болевой порог. Кроме того осуществлены изучения касаемо проверки результативности фМРТ в целях установления  обмана либо дезинформации. Для этого исследовались и методики ЭЭГ. ТМС проверяется для разработки гипотетических способов терапии больных с психическими заболеваниями, эпилепсией, психозом после травм, хроническими головными болями и прочими заболеваниями мозга. Кроме того, изучение мозговой структуры посредством ПЭТ обнаружило до 93 % правильности в установлении синдрома Альцгеймера.

Касательно стволовых клеток, практические изучения обнаружили, что большая область  мозга не способна к восстановлению или восстанавливается весьма трудно, однако какие- то отделы мозга характеризуются отличными регенеративными возможностями (в частности гиппокамп и обонятельные узелки).

Многие исследования направлены на обнаружение методов оптимизации восстанавливающих возможностей мозга. Следует признать, что есть способы, которые увеличивают познавательную деятельность и помогают росту числа нейронных связей, но все же они не обеспечивают скорого распространения соединений в мозге. Иногда  ученые пробуют вживлять больным с повреждением спинного мозга остовы, способствующие увеличению аксонов (пучка нервного волокна, способного к перетрансляции электроимпульсов), таким образом у больных инициируя возвращение навыка передвижения и чувствительности.

Способы транспортировки лекарственных препаратов постигаются для улучшения жизни тех, кто страдает нарушениями мозговой деятельности и вместе с этим не имеет возможности излечения посредством других способов. Человеческий мозг характеризуется очень мощной блокадой, отвращающей проникновение в него из кровотока отдельных лекарств. Патологии, такие как менингит, предусматривают необходимость введения препаратов прямо в спинной мозг, поскольку должные лекарственные средства не способны преодолеть гемато-энцефалическую преграду. Проводятся изучения новых методов попадания медикаментов в мозг посредством циркуляции крови, потому что средство гораздо проще ввести в кровь, чем в позвоночник.

Нейромодуляция в настоящий момент применяется для больных с расстройствами двигательных функций, также осуществляются исследования касаемо того, чтобы использовать данную разработку и для терапии иных патологий. Не так давно было осуществлено изучение относительно того что если DBS способно помочь при депрессивном состоянии, то она обладает потенциалом терапевтического свойства и других мозговых расстройств. Разрабатывается новый вариант DBS, формирующий новую технологию, получившую название оптогенетика.

Вопросы этики

Моральный вопрос эксплуатации эмбриональных стволовых клеток спровоцировал жаркие споры в США и многих других государствах. Основной положительной стороной в применении эмбриональных стволовых клеток становится то, что они подходят к практически всякому типу клеток. Новые технологии касаемо формирования индуцированных стволовых клеток понизили накал споров. Однако такие клетки в перспективе могут повлечь развитие доброкачественных новообразований, и, по обыкновению, не  способны выживать в в живом организме.

Этичные  вопросы сопровождают и применение ТМС; существует угроза, что данная методика может применяться в целях изменения пациентов без их согласия.

Нейротехнологии Илона Маска

Статья на конкурс «био/мол/текст»: В этой статье мы поговорим о самом мощном нейроинтерфейсе, который существует на сегодняшний день. Пока его протестировали только на крысах, но в перспективе намечены клинические испытания на людях. Как устроен прибор и какие возможности открывает его использование в будущем? Всё это вы узнаете в нашей новостной статье.

Эта работа опубликована в номинации «Свободная тема» конкурса «био/мол/текст»-2019.


Генеральный спонсор конкурса и партнер номинации «Сколтех» — Центр наук о жизни Сколтеха.


Спонсор конкурса — компания «Диаэм»: крупнейший поставщик оборудования, реагентов и расходных материалов для биологических исследований и производств.


Спонсором приза зрительских симпатий выступила компания BioVitrum.


«Книжный» спонсор конкурса — «Альпина нон-фикшн»

Нейротехнологии совокупность современных методов, позволяющих лечить заболевания мозга и расширять его способности [1]. Эта область сформировалась около 20 лет назад, когда появилась идея преобразовывать электрические сигналы мозга в цифровые данные [2]. Последние использовались как команды для управления внешними приборами — нейрокомпьютерными интерфейсами (нейроинтерфейсами) [3].

Нейроинтерфейсы — это устройства приема и передачи сигналов между нервной системой организма (мозгом) и электронным устройством (компьютером). Все знают, что головной и спинной мозг состоят из нейронов. Каждый из них способен реагировать на внешние стимулы за счет изменения мембранного потенциала. Когда его значение довольно велико, чтобы преодолеть порог возбуждения [4], [5], нейрон генерирует потенциал действия, или спайк (от англ. spike — шип) [6].

Нейроинтерфейсы способны записывать эти сигналы и переводить их на понятный для компьютера язык — например, в цифровой код 110010001110110101, который несет в себе информацию.

Зачем они нужны?

Нейроинтерфейсы используют по нескольким причинам.

Во-первых, они помогают парализованным людям поддерживать социальный контакт с близкими. Например, мозговой имплант Калифорнийского университета позволил немым людям переводить их мысли в речь (видео 1) [7]. Для понимания того, как это работает, представьте, что, когда ваш друг говорит слова «Война» и «Мир», у него активируются две группы нейронов (В и М соответственно). И вы вдруг решаете записать его электрические импульсы и перевести их на понятный для компьютера язык. В нашем случае 1 — активность определенного нейрона, а 0 — ее отсутствие. И предположим, группа В имеет код 1001, а группа М — 0110. В этом случае вы сможете понять, какое слово пытается сказать ваш друг до его произношения.

Видео 1. Синтезатор речи, изготовленный в Калифорнийском университете.

Во-вторых, каждый нейроинтерфейс способен проводить ток за счет нескольких электродов и искусственно возбуждать (стимулировать) поврежденные зоны мозга. Недавно этот подход начали использовать для лечения таких расстройств нервной системы как болезнь Паркинсона или паралич. Введение электростимуляции мозга в практику в 2016 году показало высокую эффективность и безопасность в использовании [8]. Давайте же разберемся, за счет чего это было достигнуто.

Как известно, при болезни Паркинсона «неисправна» черная субстанция (отвечает за движение глаз и пальцев) [7], а при параличе — часть спинного мозга, то есть нарушается цепь активации двигательных нейронов. Искусственная электростимуляция помогает временно восполнить работу поврежденных клеток, что позволяет людям выполнять физические упражнения. В результате занятий высвобождается множество нейротрофических факторов, способствующих делению и росту новых нейронов [9], которые заменяют старые. За счет этого происходит восстановление и лечение таких заболеваний.

И кто же их изобретает?

Все новые разработки в нейротехнологии требуют не только больших вложений, но и междисциплинарных знаний из области робототехники, программирования, нейробиологии и т.д. По этой причине очень сложно создать сплоченную и сильную команду. Одной из компаний, которой удалось это сделать, является Neuralink. Это американский нейротехнологический стартап, основанный Илоном Маском в 2016 году с общим финансированием более 150 миллионов долларов. Конечно, такой «гигант» не возник на пустом месте и имеет большое наследство в виде научных исследований.

Все началось еще с 1957 года, когда был создан кохлеарный имплант [10]. Сейчас им пользуются более 300 000 человек для восстановления слуха. Еще один важный этап — создание устройства от компании Cyberkinetic, позволяющего парализованным людям писать сообщения и управлять курсором мыши «силой мысли» (видео 2) [11].

Видео 2. BrainGate2 — мозговой имплантат, спроектированный компанией Cyberkinetics

Как и Калифорнийский университет и Cyberkinetic, Neuralink разрабатывает имплантируемые нейроинтерфейсы. Однако характеристики их продукта на порядки выше ближайших конкурентов. Давайте перечислим основные из них:

  1. Маленькие размеры. Чип для людей имеет размер 4×5 мм.
  2. Большое число электродов. Neuralink вживила крысам более 3000 электродов. Раньше использовали менее 256.
  3. Высокая биосовместимость. Особое полимерное покрытие похоже по составу на мозговую ткань.
  4. Безопасность. Робот аккуратно вживляет «нити».
  5. Долговечность. Высокая герметичность устройства.

Как работает Neuralink?

Основная идея компании — научиться имплантировать устройства парализованным людям для управления компьютерной мышью или клавиатурой. Проблема в том, что сейчас такие приборы очень громоздки и неудобны в использовании. Neuralink же хочет уменьшить размеры и увеличить продолжительность работы устройства. Другой серьезной задачей является лечение травм спинного или головного мозга путем электростимуляции. Это очень важно, потому что только парализованных людей ежегодно становится на 375 тысяч больше [12]. Причем наиболее сложной задачей в терапии этих заболеваний является установка электродов, ведь обычно это неточный процесс, да и размер проводов довольно велик. Компания же придумала аккуратного робота, вживляющего электроды с наименьшим повреждением сосудов мозга.

Для этого команда разработала очень тонкие «нити». Ширина каждой из них составляет 5–50 мкм, что в три раза тоньше человеческого волоса и сопоставимо с размером нейрона. Такая компактность обеспечивает минимальное повреждение ткани. Сами «нити» несут на себе по 32 электрода, каждый из которых способен записывать электрические сигналы с единичных нейронов (рис. 1). Стоит отметить, что эти провода сделаны из биосовместимого материала, помогающего избежать всевозможных воспалений и иммунных атак, которые очень опасны для мозга (рис. 2).

Рисунок 1. Общее строение «нитей» с разных ракурсов. а — Вид сбоку. б — Вид сверху.

Рисунок 2. «Нити», вставленные в мозговую ткань крысы

Для вживления «нитей» в мозг компания создала сложного нейрохирургического робота (рис. 3), который способен вставлять шесть нитей в минуту или 6×32=192 электрода. Его основная особенность — это автономный режим, который позволяет отслеживать малейшие смещения ткани мозга из-за дыхания и делать точные движения (рис. 4). При желании хирург может сделать микрорегулировку, чтобы повысить точность устройства. Такой инструмент вживляет «нити» с точностью до микрон, что снижает риск повреждения сосудов мозга у пациента. Показано, что робот успешно устанавливает 40 из 44 проводов (более 90%) [13]. Процесс вживления «нитей» можно посмотреть на видео 3.

Рисунок 3. Внешний вид нейрохирургического робота

Рисунок 4. Поэтапная работа робота-нейрохирурга. 1 — Игла приближается к ткани мозга. i. Игла. ii. «Нить». 2 и 3 — Установка «нити». 4 — Завершение работы. iii и iu. Вставленная «нить».

Видео 3. Нейрохирургический робот

Казалось бы, электроды на месте, и дело уже сделано, но тут наступает один из ключевых этапов работы — передача и запись активности мозга. Этот процесс основывается на улавливании сигналов от ближайших нейронов и их переносе на один из чипов, на каждом из которых имеется множество аналоговых пикселей (рис. 5), усиливающих и фильтрующих нейронные импульсы. Далее сигналы преобразуются в цифровой код. В конце концов, биты информации записываются на устройство [14], имеющее суммарно более 3000 электродов (рис. 6). Это позволяет в реальном времени записать очень точную информацию с 1000 нейронов и проанализировать ее [15].

Рисунок 5. Принцип работы аналогового пикселя. Нейронный сигнал последовательно проходит цепь усилитель—фильтр—преобразователь и записывается в двоичный код.

Рисунок 6. Проводное сенсорное устройство для крыс. А — Чип. В — Набор «нитей». С — Корпус. D — разъем USB-C.

Результаты

Ученые уже сделали 19 операций на лабораторных крысах, и в 87% случаях «нити» были успешно установлены (рис. 7). Длительность каждой операции составила около 45 минут.

Рисунок 7. Крыса-киборг с проводным нейроимплантом от Neuralink

По словам Илона Маска, сенсор протестировали и на обезьяне, которая смогла управлять курсором компьютера. Однако команда говорит, что результаты этого исследования опубликуют позже.

А как же люди?

До этого мы говорили о проводном устройстве с портом USB-C, но в будущем команда планирует использовать беспроводное соединение. Для этого она разработала очень маленький и мощный чип N1 (рис. 8) [16]. По задумке компании, четыре таких сенсора будут установлены в мозг парализованного человека (суммарно 4096 электродов), причем три из них будут расположены в моторной коре и один — в соматосенсорной (отвечает за восприятие прикосновений и температуры) [16]. Вся эта система не только позволит «считывать мысли», но и даст обратную связь в виде ощущений из внешней среды. Конечно, установка этой техники выглядит пугающе — хирурги со скальпелем вставляют вам какие-то чипы. Однако в будущем планируется использовать лазер, чтобы сделать процесс более быстрым и безболезненным. Во многом такой метод будет похож на лазерную коррекцию зрения.

Рисунок 8. Размер чипа N1 составляет 4×5 мм. Он имеет 1024 электрода, что в четыре раза мощнее, чем в проводной версии.

Сами чипы будут соединяться очень тонкими нитями с передатчиком, находящимся за ухом. Он сыграет роль промежуточного звена между внешним устройством (телефоном, компьютером) и мозгом (рис. 9). При этом команда создаст обучающее приложение Neuralink для управления телефоном, курсором мыши и клавиатурой (рис. 10). Это сильно облегчит приспособление пользователей к устройству.

Рисунок 9. Схема установки импланта для человека. а — Чипы, подключенные к передатчику. б — Имплантируемый чип с «нитями».

Рисунок 10. Обучающее приложение от Neuralink

Как сказал Илон Маск на презентации, первые испытания на людях планируются на конец 2020 года. Однако у компании имеется только одна научная статья на Preprint без рецензирования, поэтому говорить о результате таких скорых клинических испытаний еще рано.

Связь с искусственным интеллектом

Сейчас искусственный интеллект (ИИ) [17] стремительно развивается, и ведутся жаркие споры о его возможной опасности в будущем. По одному из сценариев, ученые смогут создать технику, превосходящую их как по физической силе, так и по интеллекту. Если эта машина выйдет из под контроля, она начнет настолько быстро улучшаться, что люди останутся позади. Поэтому многие считают, что нужно готовиться к худшему исходу уже сейчас. Так же считает и Маск, который планирует использовать свое устройство в будущем для создания «гибрида человек—ИИ». По его мнению, это будет необходимо в ближайшее время, чтобы хоть как-то конкурировать с продвинутыми технологиями. В идеале это будет интерфейс, позволяющий людям «силой мысли» делать запросы в интернет и сразу же получать на них ответы. Сейчас очень сложно говорить о примерных сроках изобретения этой технологии и делать очень оптимистичные выводы, ведь пока у Neuralink довольно мало доказательств безопасности и надежности их устройства для человека.

Заключение

Нейроинтерфейсы — это новые технологии, ведущие нас к лучшему будущему! Уже сейчас они лечат такие недуги как эпилепсия [18], [19], болезнь Паркинсона [20–22] и паралич [23]. Кроме того, эти устройства являются новым инструментом исследования в нейробиологии, потому что они несут огромные потоки данных из мозга. Сам процесс чем-то напоминает работу по расшифровке генома человека. Мы читаем информацию, записываем ее на носитель и анализируем, только вместо секвенатора ДНК у нас чип с электродами, считывающий активность клеток мозга. К счастью, люди уже сделали большие шаги в понимании «языка» нейронов для управления курсором, роботизированными конечностями и синтезатором речи только силой мысли [24–26], причем используя не более 256 электродов. А теперь представьте, что у нас их около 4000? Сможем ли мы общаться с помощью мыслей или вступить в «симбиоз» с искусственным интеллектом? К чему это нас приведет? Я надеюсь, что ответы на эти вопросы мы узнаем в XXI столетии.

Видео 4. Презентация Neuralink

  1. Oliver Müller, Stefan Rotter. (2017). Neurotechnology: Current Developments and Ethical Issues. Front. Syst. Neurosci.. 11;
  2. «Википедия»: Нейротехнологии;
  3. Яковлева М.С. и Кукарцев В.В. (2014). Нейроинтерфейсы: понятие, направления и проблемы развития. «Актуальные проблемы авиации и космонавтики». 1, 401–402;
  4. Мозг, общение нейронов и энергетическая эффективность;
  5. Формирование мембранного потенциала покоя;
  6. Что особенного в мозге человека?;
  7. Gopala K. Anumanchipalli, Josh Chartier, Edward F. Chang. (2019). Speech synthesis from neural decoding of spoken sentences. Nature. 568, 493-498;
  8. John-Stuart Brittain, Hayriye Cagnan. (2018). Recent Trends in the Use of Electrical Neuromodulation in Parkinson’s Disease. Curr Behav Neurosci Rep. 5, 170-178;
  9. K T Ragnarsson. (2008). Functional electrical stimulation after spinal cord injury: current use, therapeutic effects and future directions. Spinal Cord. 46, 255-274;
  10. Поймать звук: от молекул до импланта, слышащего свет;
  11. «Википедия»: BrainGate;
  12. Баринов А.Н. и Кондаков Е.Н. (2010). Клинико-статистическая характеристика острой позвоночно-спинномозговой травмы. «Хирургия позвоночника». 4, 15–18;
  13. Elon Musk, Neuralink An integrated brain-machine interface platform with thousands of channels — Cold Spring Harbor Laboratory;
  14. Киборги сегодня: нейрокомпьютерные технологии становятся неотъемлемой частью нашей жизни;
  15. Regalado A. (2019). What’s new and what isn’t about Elon Musk’s brain-computer interface. MIT technology review;
  16. Wiggers K. (2019). Neuralink’s tech embeds tiny wires in the brain to read electrical pulses. VentureBeat;
  17. От живого мозга к искусственному интеллекту;
  18. Tara L. Skarpaas, Beata Jarosiewicz, Martha J. Morrell. (2019). Brain-responsive neurostimulation for epilepsy (RNS® System). Epilepsy Research. 153, 68-70;
  19. Эпилепсия, методы ее лечения и роль вальпроевой кислоты в терапии заболевания;
  20. S.J. Groiss, L. Wojtecki, M. Südmeyer, A. Schnitzler. (2009). Review: Deep brain stimulation in Parkinson’s disease. Ther Adv Neurol Disord. 2, 379-391;
  21. Дофаминовые болезни;
  22. Болезнь Паркинсона: что изучать? как изучать?;
  23. Chester H. Ho, Ronald J. Triolo, Anastasia L. Elias, Kevin L. Kilgore, Anthony F. DiMarco, et. al.. (2014). Functional Electrical Stimulation and Spinal Cord Injury. Physical Medicine and Rehabilitation Clinics of North America. 25, 631-654;
  24. Leigh R. Hochberg, Mijail D. Serruya, Gerhard M. Friehs, Jon A. Mukand, Maryam Saleh, et. al.. (2006). Neuronal ensemble control of prosthetic devices by a human with tetraplegia. Nature. 442, 164-171;
  25. Wei Wang, Jennifer L. Collinger, Alan D. Degenhart, Elizabeth C. Tyler-Kabara, Andrew B. Schwartz, et. al.. (2013). An Electrocorticographic Brain Interface in an Individual with Tetraplegia. PLoS ONE. 8, e55344;
  26. T. Aflalo, S. Kellis, C. Klaes, B. Lee, Y. Shi, et. al.. (2015). Decoding motor imagery from the posterior parietal cortex of a tetraplegic human. Science. 348, 906-910;
  27. Хижняк Н. (2019). Компания Илона Маска Neuralink показала, как человек сможет управлять компьютерами силой мысли. Hi-news.ru.

прикладной интерес – Новости – Глобальные технологические тренды. Информационный бюллетень – Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»

Изучение нейронной организации и связанных с ней психических функций – ключевое направление фундаментальных нейронаук (нейробиологии, нейроинформатики, нейропсихологии). Для его успешного развития необходимо усовершенствование методов регистрации метаболической и электрической активности нейронов как в лабораторных условиях, так и в обычной жизни. Разработки нейротехнологий на основе полученных данных позволяют решать серьезные задачи в области управления мозговыми функциями и расширять возможности мозга, в первую очередь у больных с неврологическими и психическими заболеваниями. При повреждении мозга и при разрушении его структурных элементов (у больных, перенесших инсульт или травматическое повреждение тканей мозга) возникает другая потребность – в замещении нервной ткани. Для реабилитации таких больных актуальны разработки нейроинженерии по генерации новых тканей мозга путем их моделирования, конструирования и синтеза.В настоящем выпуске представлены технологии записи нейрональной активности, сделавшие возможным исследование особенностей когнитивной функции человека на клеточном уровне и причинно-следственных отношений наблюдаемых связей. Наиболее передовые нейротехнологии управления функциями мозга позволят вывести на новый уровень терапию нейродегенеративных заболеваний и разработку интерфейсов взаимодействия человека со средой. Особый интерес представляют разработки в области биоинженерии нервной ткани. Ожидается, что именно это направление кардинальным образом изменит эффективность мероприятий по нейрореабилитации.

Версия для печати: 

Медицина и здравоохранение. Нейротехнологии: прикладной интерес (PDF, 1.28 Мб)

Прогрессивные системы регистрации мозговой активности

Электрическая активность нейронов отражает высшую нервную деятельность мозга (мышление, ориентация во времени и пространстве и пр.). Регистрация этой активности может происходить непосредственно – с помощью имплантируемых микрочипов. Но ввиду травматичности такого способа в исследованиях человека распространение получили неинвазивные техники записи нейрональной активности, как электрической (электроэнцефалография, ЭЭГ), так и метаболической (функциональная томография, фМРТ). Однако интерпретация нейрональных сигналов затруднена наличием «шума» (активности нецелевых нейрональных групп), а их запись – задержкой сигнала и стационарным характером записывающих устройств.

Решить проблему интерпретации нейрональной активности можно путем применения интегрированных вычислительных моделей, использующих техники обучения с подкреплением – новые статистические подходы к обработке данных томографии. Интерпретировать частные корреляции кластеров нейронной активации и осуществлять картирование мозга помогают методы машинного обучения. Новым шагом в развитии систем прямой регистрации мозговой активности стала так называемая нейронная пыль (neural dust) – наноразмерные сенсоры, способные не только считывать электрическую активность нейронов, но и транслировать ее на внешние, в том числе портативные устройства записи и декодирования сигналов мозговой активности.

Эффекты

 Разработка гибких и точных методов биологической обратной связи на уровне отдельных нейронов (от клетки к клетке)

  Прорывы в понимании природы взаимодействия отдельных нейронов

 Моделирование нейронального сигнала для конструирования
искусственных нейроимплантов

  Совершенствование интерфейсов «мозг-компьютер»
 Функциональное картирование мозга
 Создание классификации психических расстройств, базирующейся на результатах реконструкции функциональных связей специфичных областей мозга

Оценки рынка

$1,46  млрд

к 2020 году достигнет объем глобального рынка мозговых компьютерных интерфейсов (ожидаемый среднегодовой темп прироста объема рынка в период с 2014 по 2020 гг. – 11,5%). В 2013 году доля рынка неинвазивных мозговых компьютерных интерфейсов составила 85% от общего объема рынка мозговых компьютерных интерфейсов, и она продолжает расти.

 

 

Драйверы и барьеры

 Реализация технологических инициатив и объединенных исследовательских программ (BRAIN Initiative, Human Connectome Project, Humane Brain Project)

 Развитие сенсорных технологий

 Развитие рынка нейроигровых приложений

 Запрос на технологии двойного назначения 

 Низкий уровень междисциплинарности в исследовательских программах

 

Международные
научные публикации
Международные
патентные заявки

Уровень развития
технологии в России

«Заделы» – наличие базовых знаний, компетенций, инфраструктуры, которые могут быть использованы для форсированного развития соответствующих направлений исследований.

 

Гибкое управление функциями мозга

Управление функциями мозга экспериментальных животных традиционно опирается на использование имплантируемых металлических электродов. При глубокой стимуляции мозга они позволяют неспецифично контролировать мозговую активность и у человека (например, при болезни Паркинсона). Однако распространение этой технологии и ее широкое клиническое применение ограничено риском развития реакций иммунного отторжения, формирования рубцовой ткани, активации нецелевых нейрональных групп. Интерес к технологиям управления функциями мозга связан и с перспективами их возможного использования в немедицинских практиках, в частности в брейн-фитнесе.

Новые разработки в области малоинвазивных гибких электронных устройств регистрации мозговой активности позволяют успешно решать задачи целевого (на уровне нейронных сетей) и продолжительного по времени кодирования нейронального сигнала, а также терапевтической стимуляции мозга на основе получаемой информации. Однако действительный прорыв в изучении функций мозга и разработке способов контроля над ними должны обеспечить гибридные технологии, базирующиеся на использовании генно-инженерно-модифицированных нейронов, чувствительных к свету (оптогенетика), ультразвуку (соногенетика), магнитным полям (технология Magneto). Уже сейчас рассматриваются возможности применения этих технологий для восстановления зрения и контроля сердечной активности.

Эффекты

 Переход к неинвазивным и беспроводным технологиям модуляции нейрональной активности

 Прорывы в изучении функций нейронов в условиях повседневной жизнедеятельности

 Усиление функций мозга при функционировании в особых условиях

 Повышение эффективности в лечении болезней периферической и центральной нервной системы

 Использование устройств электрической импульсации для неинвазивного лечения

 Повышение эффективности и скорости обучения, адаптации нервной системы к изменениям среды с применением интерфейсов «мозг-компьютер»

Оценки рынка

$19,5  млрд

составят ожидаемые среднегодовые темпы прироста объема рынка стимуляторов крестцового нерва в период с 2014 по 2020 гг. В 2013 г. объем рынка технологий стимуляции спинного мозга достигал 2 млрд долларов, а общий объем рынка нейростимулирующих устройств –
3,44 млрд долларов.

Драйверы и барьеры

 Развитие сенсорики на основе нанотехнологий

 Запрос на новые методы лечения нейродегенеративных заболеваний

 Развитие рынка нейроигровых приложений

 Запрос на технологии двойного назначения

 Этические ограничения широкого применения технологий управления функциями мозга

Международные
научные публикации

Международные
патентные заявки

Уровень развития
технологии в России

«Заделы» – наличие базовых знаний, компетенций, инфраструктуры, которые могут быть использованы для форсированного развития соответствующих направлений исследований.

 

Вернуть утраченное: трансплантация ткани мозга

Сегодня уже возможна трансплантация печени, почек, сердца, легких человеку, находящемуся в критическом состоянии. Однако мозг как управляющая система высшего порядка пока не подлежит замене. Пересадке донорских тканей мозга препятствуют высокая дифференцированность нервных клеток, иммунная несовместимость с чужеродными тканями, невозможность функциональной интеграции донорской нервной ткани. Попытки трансплантации отдельных клеток оказались малоэффективными ввиду низкой выживаемости нейронов. Решение было найдено в области тканевой инженерии (нейроинженерии).

Доставка и интеграция в тканевое окружение будущих нервных клеток с целью повышения их выживаемости была реализована благодаря применению технологии 3D-микропечати структурного аналога мозговой ткани с использованием собственных стволовых клеток, генетически перепрограммированных в нейроны. Эта трансформация стволовых клеток осуществляется с помощью различных технологий, наиболее перспективная из которых – редактирование генома. Накопление нейронов с последующим послойным формированием целевого фрагмента мозга позволяет воссоздать жизнеспособный и иммунологически нейтральный имплант. В результате имплантации новой ткани удается добиться воссоздания поврежденной ткани мозга, а значит, решить задачу лечения травматических повреждений мозга и таких не излечимых на сегодняшний день заболеваний, как боковой амиотрофический склероз, болезнь Паркинсона, рассеянный склероз.


Эффекты

 Разработка новых методов лечения нейродегенеративных болезней и травм

 Клиническое применение технологий прицельного соединения целевых нейронов

 Снижение инвалидизации населения трудоспособного возраста

  Более эффективная инклюзия в общество людей с биологическими имплантами

 Развитие клеточных технологий, позволяющих развивать способности человека

Оценки рынка

$ 5  млрд

к 2022 г. достигнет объем рынка тканевой инженерии в США. В 2014 г. он составлял около 2,5 млрд долларов, или половину объема глобального рынка.

Драйверы и барьеры

 Продолжение «декады нейронаук» (BRAIN Initiative, Human Connectome Project, Humane Brain Project)

 Развитие технологий нейропротезирования и тканевой инженерии, их широкое клиническое применение

 Этический кодекс, ограничивающий тестирование новых методов клеточной трансплантации у человека

 Недостатки биосовместимых материалов, являющиеся причиной отторжения нейроимплантов

Международные
научные публикации

Международные
патентные заявки

Уровень развития
технологии в России

«Заделы» – наличие базовых знаний, компетенций, инфраструктуры, которые могут быть использованы для форсированного развития соответствующих направлений исследований.

 

Нейротехнологии — Википедия. Что такое Нейротехнологии

Нейротехноло́гии — это любые технологии, которые оказывают фундаментальное влияние на то, как люди понимают мозг и различные аспекты сознания, мыслительной деятельности, высших психических функций. Включают в себя также технологии, которые предназначены для улучшения и исправления функций мозга и позволяют исследователям и врачам визуализировать мозг.

Основные положения

Отрасль нейротехнологий насчитывает полувековой возраст, однако своей зрелости достигла только в последние 20 лет. Ключевым событием стало появление нейровизуализации, которая позволила учёным наблюдать работу мозга прямо во время экспериментов. Нейротехнологии оказали существенное влияние на общество, хотя их присутствие является настолько незаметным, что немногие замечают их вездесущность. От фармацевтических препаратов до сканирования мозга, нейротехнологии прямо или косвенно затрагивают почти всё население развитых стран, будь то препараты от депрессии, бессонницы, cиндрома дефицита внимания и гиперактивности, антиневротические средства или сканирование на наличие рака, восстановление после инсульта (англ.)русск. и многое другое.

По мере развития отрасли она позволит обществу контролировать и использовать многие из возможностей мозга, влияющих на личность и образ жизни. Довольно распространённые технологии уже пытаются делать это; игры вроде Brain Age[1] и программы типа Fast ForWord[2], целью которых является улучшение функций мозга, принадлежат к разряду нейротехнологий.

В настоящее время наука способна изобразить почти все аспекты строения и функционирования мозга. Это помогает контролировать депрессию, гиперактивность, бессонницу и многое другое. В терапии это может помочь жертвам инсульта в улучшении координации движений, может способствовать улучшению функционирования мозга, снижению числа приступов эпилепсии, может помочь пациентам с расстройствами двигательных функций (болезни Паркинсона, Хантингтона, БАС) и даже помогает облегчить фантомную боль[3]. Достижения в области нейротехнологий обещают множество новых методов реабилитации больных, испытывающих неврологические проблемы. Нейротехнологическая революция вызвала к жизни инициативу Десятилетие мышления, стартовавшую в 2007 году[4]. Также она даёт возможность выявить механизмы, посредством которых в мозге рождаются разум и сознание.

Современные технологии

Визуализация

Магнитно-резонансная томография (МРТ) применяется для сканирования топологических и знаковых структур мозга, а также для визуализации мозговой активности. Применение МРТ имеет далеко идущие последствия в нейронауках. Это краеугольный камень в изучении мышления, в особенности после появления функциональной МРТ (фМРТ)[5]. Функциональная МРТ измеряет зависимость активизации участков мозга от повышения уровня кислорода. Технология даёт возможность строить карту ассоциативных связей между различными участками и областями мозга, в том числе выявлять новые участки и области. Благодаря фМРТ пациенты могут в режиме реального времени видеть, как их мозг реагирует на раздражители, тем самым получать визуальную обратную связь[6].

Компьютерная томография (КТ) является другой технологией сканирования мозга, используемой с 1970-х годов. Хотя в академической среде многие из функций КТ сегодня переходят к МРТ, первая по-прежнему используется в учреждениях здравоохранения для обнаружения активности и повреждений мозга. Используя рентген, учёные фиксируют в мозге радиоактивные метки, которые указывают на точки активности как инструмент для установления связей в мозге, а также выявляют множество травм/болезней, которые могут причинить мозгу долговременный ущерб (такие, как аневризма или рак)[5].

Позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ) это ещё один метод визуализации, который настроен на фиксацию маркёров, являющихся источниками позитронного излучения (таких, как глюкоза)[5]. ПЭТ применяется всё чаще, потому что позволяет выявлять процессы метаболизма: проблемные участки мозга потребляют больше глюкозы.

Транскраниальная магнитная стимуляция

Транскраниальная магнитная стимуляция (ТМС) по сути является прямой магнитной стимуляцией мозга. Поскольку электрические токи и магнитные поля неразрывно связаны, воздействие магнитных импульсов на конкретные участки мозга позволяет получать прогнозируемый эффект[7]. Эта область исследований в настоящее время получает большое внимание в связи с потенциальной выгодой от лучшего понимания данной технологии[8].

Микрополяризация

Микрополяризация это форма нейростимуляции, использующая постоянный ток низкого напряжения, который подаётся непосредственно в интересующую зону мозга через небольшие электроды. Первоначально была разработана для помощи пациентам с повреждениями мозга, такими, как инсульты. Тем не менее, исследования по использованию микрополяризации на здоровых взрослых людях показали, что методика может увеличить когнитивные способности для решения различных задач, в зависимости от стимулируемой области мозга. Микрополяризация использовалась для улучшения языковых и математических способностей (хотя одна из её форм способна затормозить обучение математике[9]), развития внимания, улучшения памяти[10] и координации.

Измерения на поверхности черепа

Электроэнцефалография (ЭЭГ) является неинвазивным методом измерения волновой активности мозга. Вокруг головы размещаются ряд электродов, которые улавливают электрические сигналы. Обычно ЭЭГ используется при работе в состоянии сна, так как существуют характерные волновые структуры, связанные с различными стадиями сна[5]. Электроэнцефалография имеет основополагающее значение в исследовании того, как отдыхает мозг. В клинических целях ЭЭГ используются для изучения эпилепсии, а также инсульта и опухолей мозга.

Магнитоэнцефалографией (МЭГ) называется другой метод измерения активности мозга, он замеряет магнитные поля, образуемые электрическими токами в мозге. Преимущество МЭГ перед ЭЭГ заключается в том, что магнитные поля более локализованы, что позволяет лучше отслеживать реакцию различных участков мозга, а также выявлять перевозбуждение (как в случае эпилептических припадков).

Имплантаты

Нейроимплантаты это любые устройства, используемые для контроля или регулирования деятельности мозга. В настоящее время существует несколько имплантатов, доступных для клинического применения при лечении болезни Паркинсона. Наиболее распространёнными нейроимплантатами являются глубокие стимуляторы мозга (DBS (англ.)русск.), которые используются для электростимуляции в парализованных участках мозга. Как известно, болезнь Паркинсона вызывается параличом базальных ганглий, и недавно DBS стали более предпочтительной формой для её лечения, хотя по-прежнему актуальны вопросы исследования эффективности DBS[11].

Нейромодулирование (англ.)русск. сравнительно новое направление, которое сочетает в себе использование нейроимплантатов и нейрохимию. В основе этого метода лежит представление о том, что мозг может регулироваться с помощью различных факторов (метаболических, физиологических, электростимуляции), действие которых способны промодулировать устройства, имплантированные в нейронную сеть. В настоящее время данный метод находится ещё в стадии исследований. Для его применения успешного необходимо создание устройств, которые вызывают как можно меньшую негативную реакцию со стороны организма. Этим занимается химия поверхности нейронных имплантатов (англ.)русск..

Клеточная терапия

Учёные начинают изучать возможности использования в головном мозге стволовых клеток, которые недавно были обнаружены в нескольких участках. В ходе экспериментов стволовые клетки успешно используются в мозге детей, которые пострадали от родовых травм, и у пожилых людей с дегенеративными заболеваниями. Стволовые клетки помогают побудить мозг производить новые клетки и устанавливать больше связей между нейронами.

Фармацевтика

Фармацевтические препараты играют важную роль в поддержании химии мозга в стабильном состоянии и являются наиболее часто используемыми нейротехнологиями. Такие лекарства, как сертралин, метилфенидат и золпидем, действуют в качестве химических регуляторов мозга (для более подробной информации см. нейропсихофармакология (англ.)русск.).

Стимуляция слабыми магнитными полями

Стимуляция с помощью слабых магнитных полей (англ.)русск. изучается сейчас как средство борьбы с депрессией в Гарвардской медицинской школе, а ранее рассматривалась Гленном Беллом[12], Эндрю Марино[13] и другими исследователями.

Технологии будущего

Будущее нейротехнологий заключается не столько в том, какие новые методы появятся, а в том, каковы будут сферы применения технологий. Так, в настоящее время фМРТ исследуется как метод противоболевой терапии. Получая обратную связь о функционировании мозга во время приступов боли, пациенты могут уменьшать болевые симптомы[6]. Проведены исследования по тестированию эффективности фМРТ для распознавания лжи[14]. С той же самой целью изучались возможности ЭЭГ[15]. ТМС испытывается для создания возможных методов лечения пациентов с расстройствами личности, эпилепсией, посттравматическим стрессом, мигренью и другими расстройствами мозга[8]. Помимо этого, сканирование с помощью ПЭТ показало 93 % точности в обнаружении болезни Альцгеймера[16].

Что касается стволовых клеток, исследования показали, что подавляющая часть мозга не восстанавливается либо восстанавливается очень тяжело[17], но в то же время некоторые части мозга обладают хорошими регенеративными способностями (особенно гиппокамп и обонятельные луковицы)[18]. Большая часть исследований центральной нервной системы посвящена поиску способов улучшить регенеративные качества мозга. Важно отметить, что существуют методы, которые улучшают познавательные функции и способствуют увеличению количества нейронных путей[2], однако они не дают быстрого распространения нервных клеток в мозге. Многие учёные пытаются вживлять пациентам с травмой спинного мозга каркасы, которые способствуют росту аксонов (порций нервных клеток, способных к передаче электрических сигналов), так что у пациентов начинает возвращаться способность передвигаться или чувствовать[19]. Потенциал технологий очень широк, в то же время многие из технологий пока пребывают в стадии лабораторных исследований[20]. Некоторые учёные остаются скептически настроенными в отношении возможностей стволовых клеток, полагая, что у электрических протезов больше шансов на решение медицинских проблем вроде потери слуха или паралича[21].

Системы доставки лекарственных веществ изучаются в целях улучшения жизни тех, кто борется с расстройствами мозга и при этом не может лечиться с помощью иных методов. Мозг обладает очень сильным барьером, который предотвращает попадание в него из крови некоторых препаратов от перехода из крови в мозг. Такие заболевания, как менингит, требуют от врачей необходимости вводить лекарство напрямую в спинной мозг, потому что соответствующие препараты не могут преодолеть гемато-энцефалический барьер[22]. Ведутся исследования новых способов проникновения препаратов в мозг через кровоснабжение, так как препарат гораздо легче впрыснуть в кровь, чем в позвоночник. Исследуются новые технологии вроде нанотехнологий с целью селективной доставки лекарств, однако они не лишены недостатков. Если частицы лекарств слишком большие, они будут утилизироваться печенью; в то же время маленькие порции не дадут лечебного эффекта. Помимо этого, необходимо учитывать размер капиллярной поры, потому что слишком крупные частицы могут заткнуть отверстие, предотвращая достаточное поступление препарата в мозг[23]. Другим направлением является создание рецептор-опосредованного транспорта, который нейтрализует рецепторы в мозге, поддерживающие гемато-энцефалический барьер[24]. Имеется предположение, что указанный барьер можно устранить за счёт ультразвука[25]. Конечной целью для систем доставки лекарств является разработка метода, который максимизирует количество получаемого целевыми участками мозга препарата с минимально возможным его разрушением по пути в кровеносном русле.

Нейромодуляция используется сейчас для пациентов с двигательными нарушениями, хотя проводятся исследования в направлении того, чтобы применять эту технологию и для лечения других расстройств. Недавно было проведено исследование на тот предмет, что если DBS может помочь при депрессии, то она имеет также потенциал для терапии нескольких расстройств в мозге[21]. Пока что распространение DBS ограничивается его высокой стоимостью[11]. Создаётся новая версия DBS, которая развилась в новое направление под названием оптогенетика[20]. Оптогенетика предполагает глубокую стимуляцию мозга, соединяя волоконную оптику и генотерапию. Волоконно-оптические кабели предназначены для освещения под действием электрического тока, и белок может добавляться к нейрону под влиянием световых стимулов[25]. Нейромодуляция имеет широкий спектр применения, однако эффект от её применения часто является временным. Цель состоит в максимальном увеличении срока действия эффекта от применения DBS. Другим способом применения нейромодуляции стало бы создание нейро-компьютерных интерфейсов, позволяющих парализованным людям передавать свои мысли на экран компьютера[26].

Вопросы этики

Стволовые клетки

Этичность использования эмбриональных стволовых клеток вызвала споры в США и других странах мира. Главным преимуществом в использовании эмбриональных стволовых клеток является то, что они могут подойти к почти любому типу клеток. Открытия Синъя Яманаки в отношении новых способов создания индуцированных стволовых клеток снизили накал дискуссии[27]. В то же время индуцированные клетки в потенциале могут привести к формированию доброкачественных опухолей, и, как правило, плохо выживают в естественных условиях (в живом теле)[28].

Военное применение

Новые нейротехнологии всегда использовались правительствами, от детекторов лжи и технологий виртуальной реальности до реабилитации и понимания психики. До 12 % американских солдат возвращаются из Ирака и Афганистана с посттравматическим стрессовым расстройством (ПТСР)[29]. Комбинируя фармацевтические препараты и нейротехнологии, некоторые исследователи нашли способы снижения «страха» и теоретизируют насчёт возможности применения полученных результатов в лечении ПТСР[30]. Виртуальная реальность является ещё одной технологией, которая привлекла большое внимание военных. Она могла бы использоваться для лучшего обучения солдат.

Приватность

Наконец, нейротехнологии могут выявить вещь, которую люди часто держат в секрете: о чём они думают. Несмотря на большие выгоды от развития нейротехнологий, учёные и политики должны задуматься о возможных последствиях для «когнитивной свободы». Данный термин важен для многих кругов, обеспокоенных целями прогресса в области нейротехнологий (см. нейроэтика (англ.)русск.). Текущие улучшения, такие, как чтение «отпечатков мыслей (англ.)русск.» или выявление лжи с помощью ЭЭГ или фМРТ, может породить целый набор неприятных ассоциаций, хотя до полного применения этих технологий остаются ещё долгие годы[31]. Некоторые специалисты по этике обеспокоены также использованием ТМС; они опасаются, что данная технология может использоваться для изменения пациентов нежелательными способами[8].

См. также

Примечания

  1. ↑ Nintendo Company of America.
  2. 1 2 Broman S. H., Fletcher J. The changing nervous system: Neurobehavioral consequences of early brain disorders. — Oxford University Press, 1999. — 428 p. — ISBN 978-0195121933.
  3. Doidge N. The Brain that changes itself: Stories of personal triumph from the frontiers of brain science. — Viking Press, 2007. — 427 p. — ISBN 978-8178241753.
  4. «The Decade of the Mind».
  5. 1 2 3 4 Purves, 2004.
  6. 1 2 deCharms Ch. et al. Control over brain activation and pain learned by using real-time functional MRI (англ.) // Proceedings of the National Academy of Sciences : журнал. — 2005. — 20 December (no. 51). — P. 18626–18631. — ISSN 0027-8424. — DOI:10.1073/pnas.0505210102. — PMID 16352728.
  7. Wassermann E. M. Risk and safety of repetitive transcranial magnetic stimulation (англ.) // Electroencephalography and Clinical Neurophysiology : журнал. — Elsevier, 1998. — January (vol. 108, iss. 1). — P. 1-16. — ISSN 1388-2457. — DOI:10.1016/S0168-5597(97)00096-8. — PMID 9474057.
  8. 1 2 3 Illes J. et al. An ethics perspective on transcranial magnetic stimulation (TMS) and human neuromodulation (англ.) // Behavioral neurology : журнал. — 2006. — 21 November (vol. 17, iss. 3-4). — P. 149-157. — DOI:10.1155/2006/791072. — PMID 17148834.
  9. Grabner R. H. et al. Transcranial direct current stimulation of the posterior parietal cortex modulates arithmetic learning (англ.) // European Journal of Neuroscience : журнал. — Wiley-Blackwell, 2015. — 15 June (vol. 42, iss. 1). — P. 1667-1674. — ISSN 1460-9568. — DOI:10.1111/ejn.12947. — PMID 25970697.
  10. Gray S. J. et al. Electrically stimulating prefrontal cortex at retrieval improves recollection accuracy (англ.) // Cortex : журнал. — Elsevier, 2015. — December (vol. 73). — P. 188-194. — ISSN 0010-9452. — DOI:10.1016/j.cortex.2015.09.003. — PMID 26457823.
  11. 1 2 Gross R. E. What happened to posteroventral pallidotomy for Parkinson’s disease and dystonia? (англ.) // Neurotherapeutics : журнал. — Springer Science+Business Media, 2008. — April (vol. 5, iss. 2). — P. 281-293. — ISSN 1878-7479. — DOI:10.1016/j.nurt.2008.02.001. — PMID 18394570.
  12. Bell G. B. et al. Alterations in brain activity caused by magnetic fields: Detecting the detection process (англ.) // Electroencephalography and Clinical Neurophysiology : журнал. — Elsevier, 1992. — December (vol. 83, iss. 6). — P. 389-397. — ISSN 1388-2457. — DOI:10.1016/0013-4694(92)90075-S. — PMID 1281085.
  13. Marino A. A. et al. Effect of low-frequency magnetic fields on brain electrical activity in human subjects (англ.) // Clinical Neurophysiology : журнал. — Elsevier, 2004. — May (vol. 115, iss. 5). — P. 1195–1201. — ISSN 1388-2457. — DOI:10.1016/j.clinph.2003.12.023. — PMID 15066545.
  14. Langleben D. D. et al. Brain activity during simulated deception: An event-related functional magnetic resonance study (англ.) // NeuroImage : журнал. — Elsevier, 2002. — March (vol. 15, iss. 2). — P. 727–732. — ISSN 1053-8119. — DOI:10.1006/nimg.2001.1003. — PMID 11848716.
  15. Farwell L. A., Smith S. S. Using brain MERMER testing to detect knowledge despite efforts to conceal (англ.) // Journal of Forensic Sciences : журнал. — American Academy of Forensic Sciences, 2001. — January (vol. 46, iss. 1). — P. 135-143. — ISSN 1556-4029. — PMID 11210899.
  16. Mosconi L. et al. Early detection of Alzheimer’s disease using neuroimaging (англ.) // Experimental Gerontology : журнал. — Elsevier, 2007. — Vol. 42, iss. 1-2. — P. 129–138. — ISSN 0531-5565. — DOI:10.1016/j.exger.2006.05.016. — PMID 16839732.
  17. Sur M., Rubenstein J. L. R. Patterning and plasticity of the cerebral cortex (англ.) // Science : журнал. — 2005. — 4 November (vol. 310, no. 5749). — P. 805-810. — ISSN 0036-8075. — DOI:10.1126/science.1112070. — Bibcode: 2005Sci...310..805S. — PMID 16272112.
  18. Eriksson P. S. et al. Neurogenesis in the adult human hippocampus (англ.) // Nature Medicine : журнал. — Nature Publishing Group, 1998. — November (no. 4). — P. 1313-1317. — ISSN 1078-8956. — DOI:10.1038/3305. — PMID 9809557.
  19. ↑ Embryonic stem cell therapy restores walking ability in rats with neck injuries (англ.), Science Daily (10 November 2009). Проверено 29 декабря 2015.
  20. 1 2 Lynch Z. The future of neurotechnology innovation (англ.) // Epilepsy & Behavior : журнал. — Elsevier, 2009. — June (vol. 15, iss. 2). — P. 120-122. — ISSN 1525-5050. — DOI:10.1016/j.yebeh.2009.03.030. — PMID 19328869.
  21. 1 2 Personal correspondence with Dr. Robert Gross
  22. ↑ Breakthrough in the treatment of bacterial meningitis (англ.), Science Daily (15 May 2009). Проверено 30 декабря 2015.
  23. Tsuji J. S. et al. Research strategies for safety evaluation of nanomaterials. Part IV: risk assessment of nanoparticles (англ.) // Toxicological Sciences : журнал. — Oxford University Press, 2005. — 21 September (vol. 89, iss. 1). — P. 42-50. — ISSN 1096-0929. — DOI:10.1093/toxsci/kfi339. — PMID 16177233.
  24. Demeule M. et al. Involvement of the low-density lipoprotein receptor-related protein in the transcytosis of the brain delivery vector Angiopep-2 (англ.) // Journal of Neurochemistry : журнал. — International Society for Neurochemistry, 2008. — 19 May (vol. 106, iss. 4). — P. 1534-1544. — ISSN 1471-4159. — DOI:10.1111/j.1471-4159.2008.05492.x. — PMID 18489712.
  25. 1 2 Adamantidis A. R. et al. Neural substrates of awakening probed with optogenetic control of hypocretin neurons (англ.) // Nature : журнал. — Nature Publishing Group, 2007. — 17 October (vol. 450, iss. 7168). — P. 420-424. — ISSN 0028-0836. — DOI:10.1038/nature06310. — Bibcode: 2007Natur.450..420A. — PMID 17943086.
  26. Hochberg L. R. et al. Neuronal ensemble control of prosthetic devices by a human with tetraplegia (англ.) // Nature : журнал. — Nature Publishing Group, 2006. — 13 July (vol. 442, iss. 7099). — P. 164-171. — ISSN 0028-0836. — DOI:10.1038/nature04970. — Bibcode: 2006Natur.442..164H. — PMID 16838014.
  27. Takahashi K., Yamanaka S. Induction of pluripotent stem cells from mouse embryonic and adult fibroblast cultures by defined factors (англ.) // Cell : журнал. — Cell Press, 2006. — 10 August (vol. 126, iss. 4). — P. 663-674. — ISSN 0092-8674. — DOI:10.1016/j.cell.2006.07.024. — PMID 16904174.
  28. Laflamme M. A. et al. Cardiomyocytes derived from human embryonic stem cells in pro-survival factors enhance function of infarcted rat hearts (англ.) // Nature Biotechnology : журнал. — Nature Publishing Group, 2007. — 26 August (vol. 25, iss. 9). — P. 1015-1024. — ISSN 1087-0156. — DOI:10.1038/nbt1327. — PMID 17721512.
  29. «National Center for PTSD Home».
  30. Ressler K. J. Cognitive enhancers as adjuncts to psychotherapy: use of D-cycloserine in phobic individuals to facilitate extinction of fear (англ.) // Archives of General Psychiatry : журнал. — Американская медицинская ассоциация, 2004. — 1 November (vol. 61, no. 11). — P. 1136-1144. — ISSN 1538-3636. — DOI:10.1001/archpsyc.61.11.1136. — PMID 15520361.
  31. Wolpe P. R. Emerging neurotechnologies for lie-detection: promises and perils (англ.) // American Journal of Bioethics : журнал. — Taylor & Francis, 2005. — Vol. 5, iss. 2. — P. 39-49. — ISSN 1536-0075. — DOI:10.1080/15265160590923367. — PMID 16036700.

Литература

Рекомендуемая литература

Ссылки

Про нейротехнологии - Институт "Бессмертие жизни"

Про нейротехнологии или До чего дошел прогресс

Начнем с того, что такое вообще нейротехнологии.
Это совокупность современных методов, позволяющих лечить заболевания мозга и расширять его способности.
Вообще, данная область сформировалась где то примерно около двадцати лет назад, в тот момент, когда появилась идея
преобразовывать электрические сигналы мозга в цифровые данные. А они использовались как команды для управления внешними приборами — нейрокомпьютерными интерфейсами (нейроинтерфейсами).

Эти самые нейроинтерфейсы — это устройства приема и передачи сигналов между нервной системой организма (то есть мозгом) и электронным устройством (компьютером). Головной и спинной мозг состоят из нейронов. Каждый из них способен реагировать на внешние стимулы за счет изменения мембранного потенциала. Когда его значение довольно велико, чтобы преодолеть порог
возбуждения, нейрон генерирует потенциал действия.

Ну, то есть, по сути, получается что этот самый "потенциал действия" работает как триггер - т.е. логический "0" или "1")!

Смотрим далее. Эти нейроинтерфейсы могут записывать электрические сигналы мозга и переводить их на понятный для компьютера язык — например, в цифровой код 110010001110110101, который несет в себе информацию.

Нейроинтерфейсы сейчас творят чудеса. Например, мозговой имплант Калифорнийского университета позволил немым людям переводить их мысли в речь.

Теперь посмотрите этот ролик

Вы могли заметить в данном ролике, что как будто мигающие индикаторы на плате в области мозга человека преобразовываются в звуковую дорожку, т.е. речь этого человека.

Что вы максимально поняли как это работает, представьте, что когда ваш друг говорит слова «Война» и «Мир», то у него активируются две группы нейронов (В и М). И сейчас вы хотите записать его электрические импульсы и перевести их на понятный для компьютера язык. В данном случае 1 — активность определенного нейрона, а 0 — ее отсутствие. Предположим, группа В имеет код 1001, а группа М — 110. То есть, вы легко сможете понять, какое слово пытается сказать ваш друг до его произношения.

Каждый нейроинтерфейс способен проводить ток за счет нескольких электродов и искусственно стимулировать поврежденные зоны мозга. Недавно этот подход начали использовать для лечения болезни Паркинсона и паралича.
Так вот, при болезни Паркинсона «неисправна» черная субстанция (отвечает за движение глаз и пальцев), а при параличе —
часть спинного мозга, то есть нарушается цепь активации двигательных нейронов. Искусственная электростимуляция помогает временно восполнить работу поврежденных клеток, что позволяет людям выполнять физические упражнения. В результате занятий высвобождается множество нейротрофических факторов, способствующих делению и росту новых нейронов, которые заменяют старые. За счет этого происходит восстановление и лечение таких заболеваний.

Хорошо, предположим. Но здесь непонятен следующий момент: на какие конкретно нейроны подают электричество? Просто примерно в некоторую область нейронов?
Ну а еще, что дает именно электричество этой области? Энергию и/или команду?

Компания Cyberkinetic создала устройство, позволяющее парализованным людям писать сообщения и управлять курсором мыши «силой мысли»

Neuralink разрабатывает также и имплантируемые нейроинтерфейсы. Характеристики их продукта на порядки выше ближайших конкурентов.

Вот основные из них:

1. Маленькие размеры. Чип для людей имеет размер 4×5 мм.
2. Большое число электродов. Neuralink вживила крысам более 3000 электродов. Раньше использовали менее 256
3. Высокая биосовместимость. Особое полимерное покрытие похоже по составу на мозговую ткань.
4. Безопасность. Робот аккуратно вживляет «нити».
5. Долговечность. Высокая герметичность устройства.

Основная идея компании Neuralink — научиться имплантировать устройства парализованным людям для управления компьютерной мышью или клавиатурой. Но сейчас такие приборы очень громоздки и неудобны в использовании. А Neuralink же хочет уменьшить размеры и увеличить продолжительность работы устройства.
Другой серьезной задачей является лечение травм спинного или головного мозга путем электростимуляции.
Наиболее сложной задачей в терапии этих заболеваний является установка электродов, ведь обычно это неточный процесс, да и размер проводов довольно велик.

Компания же придумала аккуратного робота, вживляющего электроды с наименьшим повреждением сосудов мозга.

Для этого разработаны очень тонкие «нити». Ширина каждой из них составляет 5–50 мкм, что в три раза тоньше человеческого волоса и сопоставимо с размером нейрона. Такая компактность обеспечивает минимальное повреждение ткани. Сами «нити» несут на себе по 32 электрода, каждый из которых способен записывать электрические сигналы с единичных нейронов:

Эти провода сделаны из биосовместимого материала, помогающего избежать всевозможных воспалений и иммунных атак, которые очень опасны для мозга. Робот успешно устанавливает 40 из 44 проводов (более 90%)

Казалось бы, электроды на месте, и дело уже сделано, но тут наступает один из ключевых этапов работы — передача и запись активности мозга. Этот процесс основывается на улавливании сигналов от ближайших нейронов и их переносе на один из чипов, на каждом из которых имеется множество аналоговых пикселей, усиливающих и фильтрующих нейронные импульсы. Далее сигналы преобразуются в цифровой код. В конце концов, биты информации записываются на устройство, имеющее суммарно
более 3000 электродов. Это позволяет в реальном времени записать очень точную информацию с 1000 нейронов и проанализировать ее.

Принцип работы аналогового пикселя. Нейронный сигнал последовательно проходит цепь усилитель—фильтр—преобразователь и записывается в двоичный код.

До этого мы говорили о проводном устройстве с портом USB - C , но в будущем команда планирует использовать беспроводное соединение. Для этого она разработала очень маленький и мощный чип N1. По задумке компании, четыре таких сенсора будут установлены в мозг парализованного человека (суммарно 4096 электродов), причем три из них будут расположены в моторной коре и один — в соматосенсорной (отвечает за восприятие прикосновений и температуры). Вся эта система не только позволит «считывать мысли», но и даст обратную связь в виде ощущений из внешней среды.

Опять же, смотрите. На рисунке показано, что электроды вставляются в крошечную область мозга. Памятуя, что после инсульта человек может постепенно научиться задействовать неповрежденные области нейронов для выполнения прежних действий, - видимо Дух (Душа) само идет навстречу технике и активирует именно подключенные нейроны?

Душа как программист сама идет навстречу докторам запихивающим свои электроды почти что куда ни попадя.
Душа со своей стороны начинает находить и загружать нейроны, оказавшиеся в зоне электрода, - чтобы в итоге получить нужный результат этой Душе пациента, в смысле телу этого пациента.

Размышления на основе материалов https://biomolecula.ru/articles/neirote ... lona-maska

Нейротехнологии и образование: социо-гуманитарные проблемы

01.08.2019

Заменит ли быстрое и нетрудозатратное совершенствование телесного субстрата человека нейротехнологиями длительное и трудоемкое духовное и интеллектуальное развитие в системе образования? Какие этические вопросы порождает использование ноотропов в образовании? Станут ли нейротехнологии сферой управления и манипулирования людьми?

Термин «нейротехнологии» не имеет однозначного устоявшегося определения, используется как зонтичный термин. Он указывает на спектр технологий, позволяющих, с одной стороны, углубить представления о строении и функциях человеческого мозга, с другой стороны, использовать полученные знания о функционировании нервной системы для воздействий на нее различными методами.  

Сферы использования нейротехнологий постоянно расширяются, порождая необходимость осмысления целей применения нейротехнологий, ожидаемых эффектов, рисков и ограничений. Образование как ценность, как социальный институт, как процесс и как результат в настоящее время так же испытывает нарастающее влияние нейротехнологий. 

Почему взаимодействуют образование и нейротехнологии?
Интерес образования к нейротехнологиям обусловлен множеством причин. Привлекательность нейротехнологий для образования, помимо социально-экономических причин,  связана с тем, что они предлагают ответ на запросы ключевых трендов развития образования – индивидуализации процесса образования и персонификации образовательных технологий. Нейротехнологии предлагают, с одной стороны, способы фиксации индивидуальных особенностей субъектов образования и далее подстройки под них процесса образования (например, в инклюзивном образовании при работе с детьми с синдромом дефицита внимания и гиперактивностью). 

С другой стороны, сами нейротехнологии способны адаптивно изменяться под цели и интересы обучающегося, особенности его мотивации (что важно, например, в работе с одаренными детьми). Сфера образования представляется для разработчиков нейротехнологий весьма многообещающим рынком, так как в условиях разворачивания концепции образования в течение жизни практически каждый человек на долгие годы становится актуальным или потенциальным пользователем нейротехнологических устройств.

Две плоскости взаимодействия нейротехнологий и образования
Обращение к нейротехнологиям при осмыслении настоящего и будущего образования и его практической трансформации в нейрореальности требует учета нескольких плоскостей взаимодействия нейротехнологий и образования.  

Во-первых, взаимодействие нейротехнологий и образования связано с использованием современных результатов описания мозга, полученных в рамках нейронаук средствами нейротехнологий, при концептуальном описании образования. Детализация представлений о мозге при их применении происходит при считывании активности мозга без воздействия на него. Нейротехнологии в данном случае собирают информацию об актуальном эмоциональном и физиологическом состоянии учащихся, в частности, о когнитивном утомлении. 

Кейс. Примером может служить неинвазивная регистрация биоэлектрической активности нейронов для исследования функционального состояния головного мозга (например, нейрокепка - система контроля бодрствования Sleep alert). 

В этой плоскости нейротехнологии связаны с трактовкой образования как ценности. Представления о природе человека, складывающиеся и уточняющиеся при расширении нейроисследований, должны быть приняты во внимание в современном понимании сущности образования, при концептуализации целей обучения и воспитания, при описании статуса ребенка и феномена детства. 

Во-вторых, плоскость взаимодействия нейротехнологий и образования определяется тем, что нейротехнологии представляют собой дифференцированные средства воздействия на мозг для развития познавательных функций. Например, они позволяют воздействовать на нейропластичность, на активность функционально-значимых при обучении зон, на эмоциональное состояние. В этом контексте нейротехнологии не только влияют на понимание процесса и результатов образования, они могут быть использованы непосредственно в образовательном процессе для достижения ожидаемых образовательных результатов. 

Кейс. Так, обучение контролю собственных состояний может касаться и когнитивных способностей, и определённых эмоциональных состояний. Создатели нейрогарнитуры NeuroPlay, функционирующей на основе энцефалограммы, обещают при ее ежедневном использовании как нейротренажера улучшение когнитивных навыков пользователя, нейрореабилитацию после травм, быстрое достижение состояния медитации. 

Кроме того, нейротехнологии влияют на развития системы образования, обозначая как зону новых направлений подготовки –  нейрокомпетенции. Знания и навыки относительно самих нейротехнологий должны быть у широкого круга специалистов в сфере образования. Со временем нейрокомпетенции могут стать основой для отдельного междисциплинарного направления подготовки. 

Типология нейротехнологий в образовании
Роберт Бланк в книге 2013 года «Вмешательство в мозг: политика, право и этика» выделяет несколько направлений нейротехнологических интервенций в мозг: 
А) Технологии инвазивного вмешательства (электросудорожная терапия (ECT), транскраниальная магнитная стимуляция (ТМС), электрическая стимуляция мозга (ESB), мозговые импланты, глубокая стимуляция мозга, транскринальная электростимуляция мозга (tES), электростимуляция блуждающего нерва, электромиостимуляция импульсным током (TENS), микрополяризация постоянным током (tDCS), магнитотерапия, психохирургия. 
Б) Технологии виртуальной реальности (нейровизуализация (КТ, МРТ, ПЭТ, ФМРТ), нейронная трансплантация, нейрогенетика).
В) Технологии, основанные на фармацевтицевтике и применении биологических препаратов (антипсихотики, антидепрессанты, транквилизаторы, гормональная терапия, ноотропы). В перечне типов технологий, и тем более их наполнении, происходят весьма быстрые изменения.  Практические нейротехнологии, в свою очередь, позволяют ещё больше наращивать теоретическое знание о мозге, что дает основания для рассмотрения нейротехнологий как сложного проявления технонауки.

Социально-гуманитарные проблемы нейротехнологий в образовании
Расширение применения различных нейротехнологий в образовании порождает дискуссии по широкому спектру социально-гуманитарных вопросов. Ряд специалистов считает необходимым выделить особые задачи регулирования нейротехнологий, обозначив их понятием «нейроэтика». 

Прежде всего, как и в отношении любых технологических новаций, к нейротехнологиям любого типа возникает вопрос о соотношении результативности и разного рода рисков. Очевидно, что темпы внедрения нейротехнологий «в экспериментальном режиме» опережают накопление доказательной базы относительно эффективности. Как в отношении других рискованных технологий, применительно к нейротехнологиям реализуется подход «условного одобрения»: пока не будут выявлены явные риски при доказанной эффективности, технология одобряется для применения. 

Однако в случае с использованием нейротехнологий в образовании возникают дополнительные обстоятельства. Исследования практической результативности нейротехнологий, конечно, проводятся, но в лабораторных условиях, в течение ограниченного времени и с участием взрослых добровольцев. Но даже обнадеживающие результаты эффективности стимуляции мозга отдельными технологиями не позволяют делать выводы о долгосрочном или отсроченном результате, не дают возможность оценивать комплексный результат воздействий на мозг в длительной перспективе, не позволяют экстраполировать результаты на детей. В литературе обсуждаются опасения относительно влияния нейротехнологий на ментальное здоровье человека. 

При выходе нейротехнологий за пределы лабораторий разработчиков в сферу образования для их практического использования в работе с детьми, особенно с имеющими особенности развития, требуется проведение серьезных экспериментов, соответствующих не только критериям научной доказательности (независимость, статистическая достоверность), но и этико-правовым нормам. Такие нормы, специализированно отражающие сферу нейротехнологий, особенно инвазивных, еще должны быть созданы и практически запущены. При этом нормативное регулирование должно создавать одновременно и условия для внедрения перспективных технологий и продуктов, и барьеры для рискованных практик, защищать автономию и достоинство человека - субъекта образования. 

При продвижении нейротехнологий на рынок некоторые технологии позиционируются как гаджеты, стимулирующие мозг, для использования в домашних условиях. Применение технологий неспециалистами, преследующими в том числе исследовательские цели, может быть примером так называемой «гражданской науки». Возникающие при этом этические проблемы, связанные с ответственностью ученых за применение научно-исследовательских результатов самостоятельными исследователями и практиками, уже обсуждаются специалистами. 

Кейс. Примером нейротехнологий «для домашнего использования» может служить российская разработка Brainstorm. Ее разработчики утверждают, что нейростимуляция активирует зоны мозга, ответственные за память, реакцию, концентрацию внимания, математические и лингвистические способности. Совмещая нейростимуляцию с обучением, тренировками или работой, пользователь может значительно повысить свою эффективность.

При этом обратим внимание на то, что нейротехнологии часто не носят терапевтического характера, то есть для их применений нет клинических показаний, связанных с состоянием здоровья. Основанием для их использования становится желание индивидов и институций облегчить процесс обучения и ускорить достижение образовательного результата, нейрооптимистичное отношение к технологическим новинкам. Вмешательство в организм человека происходит без наличия объективно зафиксированных отклонений, лишь на основании личного желания улучшить показатели, причем быстро и без существенных усилий. 

Использование нейротехнологий очень остро ставит проблемы этического оправдания вмешательства в человеческую телесность, проблему социальной справедливости и определения границ вмешательства. Если нейротехнологии и продукты, улучшающие память, когнитивную гибкость, абстрактное мышление, дают реальный положительный результат, справедливо ли то, что они будут давать преимущества отдельным учащимся? Не окажется ли для конкретных образовательных институций желание лидировать в рейтингах основанием для широкого использования в учебном процессе нейростимуляторов? 

Академическая конкуренция в случае широкого использования нейротехнологий рискует стать не соревнованием усидчивых и трудолюбивых учеников, взаимодействующих с наставниками, а гонкой инженеров, фармацевтов, биохакеров. Традиционная философская проблема соотношения целей и средств должна получить новое рассмотрение в применении к вооруженному нейротехнологическом инструментарием образованию. Нейродопинговые технологии являются одновременно и отражением неравенства в образовании и фактором его порождения.  

Нейротехнологии способны весьма серьезно трансформировать процесс образования, влияя на уровень когнитивных функций – внимание, память, концентрацию и так далее. Еще несколько лет назад нейротехнологии рассматривались лишь как технологические способы поддержки трансляции знаний, как новые формы подачи информации (виртуальная и дополненная реальность, смешанное обучение, онлайн-технологии и так далее). В ближайшем будущем нейротехнологии позволят интегрировать системы естественного и искусственного интеллекта в процессе образования и изменят представления об ожидаемом результате образования. 

Уже очевидно, что нейротехнологии смещают акценты от духовного, интеллектуального и физического развития в образовании к телесному технологическому улучшению. Сейчас происходит фиксация достижений человека в развитии собственных компетенций и адаптации к техносфере. И в будущем нейротехнологии могут стать инструментом симбиоза человека и техносферы, достигаемого в процессе образования. В предельных основаниях рассмотрение нейротехнологий в образовании возвращает к вопросу о природе человека: является ли изменение субстрата когнитивных процессов и поведения под воздействием нейротехнологий соответствующим смыслу человеческого бытия? 

Можно предположить, что нарастающее внедрение нейротехнологий в образование приведёт к ценностному расколу общества на тех, кто готов к технологическому вмешательству в природу человека и будет рассматривать нейротехнологии как полезные средства для улучшения образования, и тех, чья ценностная иерархия не позволяет сделать выбор в пользу кардинальной технологизации природы человека.

#Нейротехнологии, #Образование

Нейротехнологии — Карта знаний

  • Нейротехноло́гии — это любые технологии, которые оказывают фундаментальное влияние на то, как люди понимают мозг и различные аспекты сознания, мыслительной деятельности, высших психических функций. Включают в себя также технологии, которые предназначены для улучшения и исправления функций мозга и позволяют исследователям и врачам визуализировать мозг.

Источник: Википедия

Связанные понятия

Нейровизуализа́ция — общее название нескольких методов, позволяющих визуализировать структуру, функции и биохимические характеристики мозга. Наномедицина — медицинское применение нанотехнологии. Простирается от медицинского применения наноматериалов до наноэлектронных биосенсоров и даже возможного применения молекулярной нанотехнологии в будущем. Нейропсихология — междисциплинарное научное направление, лежащее на стыке психологии и нейронауки, нацелена на понимание связи структуры и функционирования головного мозга с психическими процессами и поведением живых существ. Термин нейропсихология применяется как к исследованиям с повреждениями у животных, так и работам, базирующимся на изучении электрической активности отдельных клеток (или групп клеток) у высших приматов (в том числе, существуют исследования человека в данном контексте). Клини́ческая смерть — обратимый этап смерти, переходный период между жизнью и биологической смертью. На данном этапе прекращается деятельность сердца и процесс дыхания, полностью исчезают все внешние признаки жизнедеятельности организма. При этом гипоксия (кислородное голодание) не вызывает необратимых изменений в наиболее чувствительных к ней органах и системах. Данный период терминального состояния, за исключением редких и казуистических случаев, в среднем продолжается не более 3—4 минут, максимум... Смерть мо́зга — состояние, когда происходит гибель головного мозга, при этом с помощью реанимационных мероприятий искусственно поддерживается функция сердца, кровообращение и дыхательная деятельность, создающие видимость жизни.

Упоминания в литературе

То, чего мы не знаем, так это насколько открытие подобных нейронных коррелятов поможет объяснить сознание. Корреляция не является ни каузацией, ни объяснением. Если, например, почти все часы в одной и той же часовой зоне показывают одно и то же вемя, то это не означает, что между ними существует причинно-следственная связь. Какой бы тесной не была корреляция, она не является результатом научного объяснения. Корреляция приливов и отливов со зрительно наблюдаемыми фазами луны не означает, что одно можно объяснить через другое (причиной являются не фазы луны, а гравитационное притяжение, вызванное луной). Также, если определенные аспекты сознания неясны, мы, очевидно, не сумеем соотнести их с состоянием нашего мозга. Мы не вполне понимаем, что имеем в виду, когда говорим, что сознание представляет собой «субъективный» или «частный» феномен, связанный с индивидуальным Я. И все же установление точных нейронных коррелятов для определенного контента сознания заложит основу будущих нейротехнологий. Как только станут известны материальные корреляты для абрикосово-розового цвета или сандалового запаха, мы сможем, в принципе, вызывать такие состояния путем соответствующей стимуляции мозга. Мы сможем настраивать свое ощущение цвета или запаха, усиливать или гасить его, стимулируя или подавляя соответствующие группы нейронов. То же может относиться к эмоциональным состояниям, таким как сочувствие, благодарность или религиозный экстаз.

Связанные понятия (продолжение)

Во́йта-терапи́я — физиотерапевтический метод лечения младенцев, детей и взрослых с патологиями моторных функций из-за нарушений центральной нервной системы и опорно-двигательного аппарата, разработанный в 1950—1970 годах чешским неврологом профессором Вацлавом Войтой. В Википедии есть статья о науке, изучающей движение живых существ, см. Кинезиология«Прикладна́я кинезиоло́гия», ПК (англ. Applied Kinesiology, AK) — вид альтернативной медицины, основанный в 1964 году Джорджем Гудхартом в США. Представляет собой хиропрактический метод диагностики и терапии, декларирующий связи мышечного напряжения (тонуса) с состоянием внутренних органов и систем организма и предлагающий способы корректирующего немедикаментозного воздействия на них. Из-за отсутствия научных теоретических...

Подробнее: Прикладная кинезиология

Мю-ритм (μ-ритм, роландический ритм, сенсомоторный ритм, аркоидный (arceau) ритм, аркообразный (wicket) ритм, гребенчатый ритм, дугообразный ритм) — периодические колебания биопотенциалов в сенсомоторной области коры головного мозга на частоте 8 — 13 Гц (чаще всего 9 — 11 Гц). Эти колебания могут быть зарегистрированы методами электроэнцефалографии (ЭЭГ), магнитоэнцефалографии (МЭГ), или электрокортикографии (ЭКОГ). Наиболее выражен в состоянии физического покоя. В отличие от альфа-ритма, который... ТЭС-терапия — метод лечения с помощью неинвазивной тра́нскраниальной (trans, лат. — через; cranium, лат. — череп) электрической стимуляции. Является физиотерапевтическим методом. На рынок готовятся выйти модуляторы настроения, основанные на принципах электростимуляции. Десенсибилизация и переработка движением глаз (ДПДГ, англ. EMDR) — метод психотерапии, разработанный Френсин Шапиро для лечения посттравматических стрессовых расстройств (ПТСР), вызванных переживанием стрессовых событий, таких как насилие или участие в военных действиях. Биологическая обратная связь (англ. biofeedback) — технология, включающая в себя комплекс исследовательских, немедицинских, физиологических, профилактических и лечебных процедур, в ходе которых человеку посредством внешней цепи обратной связи, организованной преимущественно с помощью микропроцессорной или компьютерной техники, предъявляется информация о состоянии и изменении тех или иных собственных физиологических процессов. Транскраниальная магнитная стимуляция (ТМС, англ. Transcranial magnetic stimulation, TMS) — метод, позволяющий неинвазивно стимулировать кору головного мозга при помощи коротких магнитных импульсов. Также как и транскраниальная электрическая стимуляция (ТЭС), ТМС иногда сопряжена с болевыми ощущениями и поэтому должна применяться с осторожностью. Онкологическая гипертермия — вид лечебной гипертермии, применяемый для лечения онкологических заболеваний, связанный с нагревом опухолей в диапазоне 41-45°С. Электроэнцефалография (ЭЭГ) — раздел электрофизиологии, изучающий закономерности суммарной электрической активности мозга, отводимой с поверхности кожи головы, а также метод записи таких потенциалов (формирования электроэнцефалограмм). Также ЭЭГ — неинвазивный метод исследования функционального состояния головного мозга путём регистрации его биоэлектрической активности. Видеоанализ (другое название — «захват движения» от англ. Motion capture) — запись и обработка видео информации, как правило о движениях. Видеоанализ был впервые разработан в исследованиях по биомеханике, но в последнее время широко применяется в медицине, биомеханике и компьютерных играх. В нейробиологии, синхронизацией (от греч. συνχρόνος — одновременный) называют динамический режим, который характеризуется периодической одновременной активацией определенной популяции нейронов, или синхронизацию между локальными колебаниями двух или нескольких популяций нейронов.

Подробнее: Синхронизация (нейробиология)

Таламический стимулятор — это относительно новое хирургически имплантируемое в таламус медицинское устройство, которое предназначено для подавления или уменьшения резистентного тремора, вызванного таламокортикальной дизритмией. Сеть пассивного режима работы мозга (СПРРМ, также нейронная сеть оперативного покоя, англ. default mode network, DMN) — нейронная сеть взаимодействующих участков головного мозга, активная в состоянии свободной, не целенаправленной умственной деятельностью, когда человек бездействует, отдыхает, грезит наяву или погружён в себя, а не связан с выполнением какой-либо задачи внешнего мира. Эта нейронная сеть активно изучается в числе так называемых нейросетей состояния покоя (англ. resting state network... Орбитофронтальная кора (ОФК) — участок префронтальной коры в лобных долях головного мозга, принимающий участие в принятии решений. У человекообразных обезьян ОФК представлена совокупностью полей Бродмана под номерами 11, 12 и 13; у людей эта кора представлена полями 10, 11 и 47. Центр удовольствия — это общий термин для ряда структур мозга, стимулирование которых приводит к чувству наслаждения. Фокуси́рованный ультразву́к высо́кой интенси́вности (англ. High Intensity Focused Ultrasound, HIFU) — широко используемый в современной медицине метод локального воздействия ультразвуком на глубоко расположенные ткани организма. Основной областью применения HIFU в медицине является неинвазивная (то есть без повреждения кожных покровов) или малоинвазивная хирургия, реализуемая с помощью сфокусированных ультразвуковых пучков с интенсивностью, достигающей в некоторых случаях тысяч и десятков тысяч Вт/см... Физиологическая адаптация (от лат. adaptatio — приспособление) — приспособление организма к условиям существования. « — постоянное приспособление … к условиям существования», — утверждал физиолог И. М. Сеченов. — Организм без внешней среды, поддерживающей его существование, невозможен; поэтому в научное определение организма должна входить и среда, влияющая на него". При этом: «…Каждый организм представляет собой динамическое сочетание устойчивости и изменчивости, в котором изменчивость служит его... Магни́тно-резона́нсная томогра́фия (МРТ) — способ получения томографических медицинских изображений для исследования внутренних органов и тканей с использованием явления ядерного магнитного резонанса. Способ основан на измерении электромагнитного отклика атомных ядер, чаще всего ядер атомов водорода, а именно, на возбуждении их определённым сочетанием электромагнитных волн в постоянном магнитном поле высокой напряжённости. Синдро́м дефици́та внима́ния и гиперакти́вности (англ. attention deficit hyperactivity syndrome), аббр. СДВГ, расстро́йство внима́ния с гиперакти́вностью или гиперакти́вное расстро́йство с дефици́том внима́ния (англ. attention deficit hyperactivity disorder, аббр. ADHD) — неврологическо-поведенческое расстройство развития, начинающееся в детском возрасте. Проявляется такими симптомами, как трудности концентрации внимания, гиперактивность и плохо управляемая импульсивность. Также при склонности к... Мото́рное позна́ние — понятие, возникшее на стыке наук психологии, нейрофизиологии и нейробиологии, подразумевающее познание, воплощённое в действии. Мозговая машина использует звук и/или свет для достижения определённой частоты мозга пользователя. В теории результатом действия мозговой машины может быть состояние глубокой расслабленности, концентрации либо состояния изменённого сознания (транса), сравниваемые с теми, что могут быть получены в результате медитации и применения гипноза. Специальные хлопковые ленты, не содержащие латекс, с акриловым термоактивным покрытием, аналогичные по эластичности человеческой коже, которые накладываются по методу Кинезиологического Тейпирования. Тейпы призваны обеспечивать адекватную работу мышц, протекание саногенетических процессов, уменьшение болевого эффекта, при этом не ограничивая движений, улучшая крово- и лимфоток, обладая гипоаллергенными свойствами и полной воздухо- и влагопроницаемостью. Могут использоваться на протяжении 5 дней...

Подробнее: Кинезиологическое тейпирование

Нейромаркетинг — комплекс методов изучения поведения покупателей, воздействия на него и эмоциональных и поведенческих реакций на это воздействие, использующий разработки в областях маркетинга, когнитивной психологии и нейрофизиологии. Цель нейромаркетинга — поиск способов объективного определения предпочтений потребителя без использования субъективных методов получения информации о них, а также формирование рекламных сообщений таким образом, чтобы склонить потребителя к покупке до того, как он их... Нейрокомпьютерный интерфейс (НКИ) (называемый также прямой нейронный интерфейс, мозговой интерфейс, интерфейс «мозг — компьютер») — система, созданная для обмена информацией между мозгом и электронным устройством (например, компьютером). В однонаправленных интерфейсах внешние устройства могут либо принимать сигналы от мозга, либо посылать ему сигналы (например, имитируя сетчатку глаза при восстановлении зрения электронным имплантатом). Двунаправленные интерфейсы позволяют мозгу и внешним устройствам... Па́мять — это общее обозначение для комплекса познавательных способностей и высших психических функций по накоплению, сохранению и воспроизведению знаний и навыков. Коннекто́м (англ. connectome /kəˈnɛktoʊm/) — полное описание структуры связей в нервной системе организма. Область исследований, включающая в себя картографирование и анализ архитектуры нейрональных связей, называется «коннектомика». Генотерапия — совокупность генноинженерных (биотехнологических) и медицинских методов, направленных на внесение изменений в генетический аппарат соматических клеток человека в целях лечения заболеваний. Это новая и бурно развивающаяся область, ориентированная на исправление дефектов, вызванных мутациями (изменениями) в структуре ДНК, поражением ДНК человека вирусами или придания клеткам новых функций. Микрополяризация (англ. Transcranial direct current stimulation) — лечебный метод, позволяющий изменять функциональное состояние различных звеньев ЦНС под действием малого постоянного тока (до 1 мА).ТКМП (транскраниальная микрополяризация) и ТВМП (трансвертебральная микрополяризация) сочетают неинвазивность традиционных физиотерапевтических процедур с некоторой степенью избирательности воздействия, характерной в высокой степени для стимуляции через интрацеребральные электроды.Культивируется в основном... Функциона́льная магни́тно-резона́нсная томогра́фия, функциона́льная МРТ или фМРТ (англ. Functional magnetic resonance imaging) — разновидность магнитно-резонансной томографии, которая проводится с целью измерения гемодинамических реакций (изменений в токе крови), вызванных нейронной активностью головного или спинного мозга. Этот метод основывается на том, что мозговой кровоток и активность нейронов связаны между собой. Когда область мозга активна, приток крови к этой области также увеличивается... Метод краниоцеребральной гипотермии (КЦГ) предполагает понижение температуры мозга теплокровных животных и человека из-за преобладания теплоотдачи над теплопродукцией, то есть искусственное охлаждение головного мозга через наружные покровы головы при помощи специального аппарата. Название происходит от гипо... и греч. therme — тепло (охлаждение).

Подробнее: Краниоцеребральная гипотермия

Ме́тод Фо́лля (нем. Elektroakupunktur nach Voll, EAV) — метод экспресс-диагностики в альтернативной (нетрадиционной) медицине, называемый иногда электропунктурным, использующий для постановки диагноза результаты измерения электрического сопротивления кожи на пальцах рук и ног. Регенеративная медицина — восстановление пораженной болезнью или повреждённой (травмированной) ткани с помощью активации эндогенных стволовых клеток или с помощью трансплантации клеток (клеточной терапии). Холотро́пное дыха́ние (ХД) (англ. holotropic breathing, от др.-греч. ὅλος «целый» и τρόπος «направление, способ») — метод трансперсональной психотерапии, заключающийся в гипервентиляции лёгких за счет учащённого дыхания. В результате вымывается СО2 из крови, сосуды мозга сужаются (на короткое время — до 10 минут), начинается торможение коры головного мозга, и активируется подкорка, что вызывает чувство эйфории, галлюцинации, изменённое состояние сознания и, по мнению сторонников метода, переживания... Нейробиология — наука, изучающая устройство, функционирование, развитие, генетику, биохимию, физиологию и патологию нервной системы. Изучение поведения является также разделом нейробиологии, которая всё сильнее проникает в сферы психологии и другие науки. Капилляроскоп (от капилляр и греч. σκοπέω — смотрю) – медицинский прибор, разновидность микроскопа для наблюдения за состоянием мельчайших сосудов в организме – капилляров. Капилляроскоп используется для неинвазивного осмотра капилляров человека. Он представляет собой микроскоп особого типа, оснащённый видеокамерой и монитором, посредством которого можно наблюдать за процессами микроциркуляции в организме. Через объектив капилляроскопа врач оценивает плотность капилляров, их форму, расположение... Электронно-лучевая томография (ЭЛТ) — особый вид компьютерной томографии (КТ), обеспечивающий время экспозиции в 50 мс и сканирование со скоростью 15-20 изображений в секунду. Эта скорость достаточна для исследований движущегося сердца: четко очерченные изображения могут быть получены без использования синхронизации с ЭКГ. Такую методику называют также кино-КТ, сверхбыстрой КТ, миллисекундной КТ, КТ пятого поколения. Фактор роста нервов (англ. nerve growth factor, NGF) — небольшой секретируемый белок, поддерживающий жизнеспособность нейронов, стимулирующий их развитие и активность. Относится к семейству нейротрофинов. Был идентифицирован первым из факторов роста. Другие представители этого семейства, которые хорошо известны, включают в себя нейротрофический фактор головного мозга, нейротрофин-3 и нейротрофин 4/5. Электрическая активность кожи (ЭАК), ранее именовалась как кожно-гальваническая реакция (КГР) — биоэлектрическая реакция, которая регистрируется с поверхности кожи, показатель активности вегетативной нервной системы, широко применяемый в психофизиологии. Электрокардиостимуля́тор (ЭКС; иску́сственный води́тель ри́тма (ИВР)) — медицинский прибор, предназначенный для воздействия на ритм сердца. Основной задачей кардиостимулятора (водителя ритма) является поддержание или навязывание частоты сердечных сокращений пациенту, у которого сердце бьётся недостаточно часто, или имеется электрофизиологическое разобщение между предсердиями и желудочками (атриовентрикулярная блокада). Также имеются специальные (диагностические) наружные кардиостимуляторы для проведения... Кибернож (англ. CyberKnife) — радиохирургическая система производства компании Accuray, предназначенная для лечения доброкачественных и злокачественных опухолей и других заболеваний. Разработана в 1992 году профессором нейрохирургии и радиационной онкологии Стенфордского университета (США) Джоном Адлером и Питером и Расселом Шонбергами из Schonberg Research Corporation. Изготавливается компанией Accuray, штаб-квартира которой находится в г. Саннивейл, штат Калифорния. Ветеринарная психоневрология — новая, развивающаяся с начала 2000-х гг. отрасль ветеринарной медицины, изучающая деятельность нервной системы как единого целого (в отличие от неврологии), её управляющую и регулирующую роль в организме, а также взаимосвязи между процессами в нервной системе и других системах организма. Дисциплина возникла на стыке зоопсихологии и неврологии, откуда и получила своё название. Основная концепция теории Кеннона — Барда заключается в том, что выражение эмоций является результатом функции гипоталамических структур, и эмоциональное переживание — результатом стимуляции таламуса. Физиологические изменения и субъективные ощущения являются отдельными и независимыми; возбуждение не должно проявляться раньше эмоций. Таким образом, области таламуса приписывают основную роль в этой теории эмоций. Визуальный протез также известный как бионический глаз - это экспериментальное визуальное устройство, предназначенное для восстановления функции зрения у тех, кто страдает полной или частичной слепотой. Было разработано много устройств с применением технологий кохлеарных имплантов и нейропротезирования. Идеи использования электрического тока (например, электростимуляции сетчатки) для восстановления зрения восходят к XVII веку. Их обсуждали Бенджамин Франклин, Тибериус Кавалло и Шарль Лерой. Фармакогене́тика (др.-греч. φάρμακον — лекарство и генетика) — раздел медицинской генетики и клинической фармакологии, изучающий наследственные основы вариабельности эффектов лекарственных средств и позволяющий предсказывать эффективность и безопасность (неблагоприятные побочные реакции) при применении лекарственных средств у пациентов. Фармакогенетика является одним из наиболее эффективных и перспективных направлений развития персонализированной медицины. Наиболее активно происходит изучение генетического...

«Нейронет»: Сила мысли, или Что такое нейротехнологии

В Петербурге на этой неделе не только обсуждали перспективы развития еще пока «свежего» рынка «Нейронет», но и демонстрировали уже готовые разработки. Это все еще на грани фантастики для обычного человека. Вам уже не нужны гаджеты. Ваш мозг - и есть компьютер: общение друг с другом - без помощи слов и интернета, мысленное управление всевозможной техникой.

Нейротехнологии - это сложные, уникальные методики, позволяющие активизировать процессы, фактически силой мысли. Главная сфера, где без их применения сегодня не обойтись — медицина. Например, эта разработка. Она позволяет парализованному человеку вновь обрести двигательную способность. Пока в виртуальной реальности. С помощью датчика на голове, мозг посылает сигнал в гаджет, который выводит изображение на экран компьютера. Как говорят врачи, именно таким образом, к уже потерявшим надежду больным, вновь возвращается вера. 

«Человек может управлять движениями руки аватара в компьютерной игре. Это у многих людей, которые уже отчаялись и не могут восстановиться после инсульта, вызывает шок. Представьте, своей рукой я двинуть не могу, но компьютерной игрой я могу управлять, в ней рука двигается».

А вот еще одна петербургская инновация, успешно работаюшая не только в регионах России, но и за границей. Нейрогаджет позволяет вернуться к нормальной жизни после инсульта. Важный элемент социализации - печать с помощью взгляда. Человек смотрит на необходимую букву на клавиатуре, инфракрасный гаджет считывает блик с глаза и посылает сигнал на нужную клавишу. 

«Один наш пациент начал писать стихи на нашем оборудовании. И это очень приятно, потому что из вегетативного состояния открывается творческая личность». 

Участники выставки «Нейронет» активно подчеркивают необходимость инновационных технологий. Город готов к строительству новых инженерных центров и финансированию специалистов. 

«Создание нейротехнологий именно в социальной сфере, в адаптации людей с ограниченными возможностями является крайне важным. Это очень серьезное развитие именно для будущего развития технологий. Надо понимать, что создание таких продуктов крайне важно именно для того, чтобы в Петербурге смогли развиваться технологии уже не только 21 века, а технологии 22 века». 

Нейротехнологии — это не только медцина. Тимофей Глинин выпустился из петербургского университета несколько лет назад. И вот сейчас этот молодой человек в футболке с кричащей надписью, готов произвести настоящую революцию в фарминдустрии. 

«Это прибор, который активизирует различные зоны мозга в зависимости от того, на какие участки головы мы прикрепляем электроды, мы можем активизировать либо одну, либо другую, либо третью зоны мозга. Одна, например, может отвечать за реакцию, другая за память, третья за концентрацию внимания, четвертая за изучение иностранных языков». 

Роботы, колеса которых крутятся от силы мысли, участвуют в гонках. Программирование снов и системы считывания эмоций. Нейротехнологии активно применяются и в сфере развлечений. 

«Мы делаем карту эмоций. Ну вот смотрите есть у нас навигатор для машин, когда мы смотрим, где у нас пробки, куда ехать стоит, куда не стоит. А мы делаем навигатор эмоций для людей. Куда стоит пойти — где сейчас хорошо, где сейчас плохо, где сейчас спокойствие, где позитив».

 Пока карта эмоций составляется только путем отзывов и комментариев в социальных сетях. В проекции система должна считывать с лиц настроения людей и отправлять на сервер. 

«Совершенно уникальный, инновационный проект - карта эмоций. Видео считывают с лица человека то, в каком состоянии он сейчас находится. Давайте посмотрим, как это работает. Сейчас я буду радоваться, сейчас я разозлюсь, ну и напоследок задумаюсь».

Сегодня эволюцию нейротехнологий сравнивают с тем, что совсем недавно переживали средства массовой информации. Когда-то было сложно предположить, какое огромное влияние медиа будет оказывать на глобальные рынки. Именно такую судьбу прочат пусть и мало изученным, но таким мощным, инновационным проектам, работающим через человеческий мозг.


Смотрите также