ニューロテクノロジー

ニューロテクノロジーは、人々が脳をどのように理解するか、および脳内の意識、思考、および高次の活動のさまざまな側面に基本的な影響を与える技術です。また、脳機能を改善および修復し、研究者や臨床医が脳を視覚化できるように設計されたテクノロジーも含まれています。

バックグラウンド

ニューロテクノロジーの分野はほぼ半世紀にわたって存在していましたが、ここ20年で成熟に達しました。脳イメージングの出現は、この分野に革命をもたらし、研究者が実験中の脳の活動を直接監視できるようにしました。ニューロテクノロジーは社会に大きな影響を与えましたが、その存在は非常にありふれたものであり、多くの人がその遍在性を認識していません。医薬品から脳スキャンまで、うつ病、睡眠、ADD、または抗神経症薬からガンスキャン、脳卒中リハビリテーションなど、ニューロテクノロジーはほぼすべての工業化された人々に直接または間接的に影響します。

分野の深さが増すにつれて、潜在的に社会は、脳がしていることと、それがライフスタイルと性格にどのように影響するかをより多く制御し、利用できるようになるでしょう。ありふれたテクノロジーはすでにこれを試みています。 BrainAgeのようなゲームや、脳機能の改善を目的としたFast ForWordのようなプログラムは、神経工学です。

現在、現代科学は、脳のほぼすべての側面を画像化し、脳の機能の程度を制御できます。それはうつ病、過剰活性化、睡眠不足、および他の多くの状態を制御するのに役立ちます。治療的には、脳卒中の犠牲者の運動協調の改善、脳機能の改善、てんかんエピソードの減少（てんかんを参照）、変性運動疾患（パーキンソン病、ハンチントン病、ALS）の患者の改善に役立ち、幻肢痛知覚の緩和にも役立ちます。この分野の進歩は、神経学的問題に苦しむ患者のための多くの新しい強化とリハビリテーション方法を約束します。ニューロテクノロジー革命は、2007年に開始された10年の心のイニシアチブを生み出しました。また、脳から心と意識が現れるメカニズムを明らかにする可能性を提供します。

現在の技術

ライブイメージング

脳磁図は、非常に高感度の磁力計を使用して、脳で自然に発生する電流によって生成される磁場を記録することにより、脳の活動をマッピングするための機能的な神経画像技術です。 SQUID（超伝導量子干渉デバイス）の配列は、最も一般的な磁力計です。 MEGのアプリケーションには、知覚および認知脳プロセスの基礎研究、外科的切除の前に病理の影響を受ける領域の位置特定、脳のさまざまな部分の機能の決定、および神経フィードバックが含まれます。これは、異常の場所を見つけるための臨床設定や、脳の活動を単純に測定するための実験設定で適用できます。

磁気共鳴画像法（MRI）は、脳のトポロジカル構造およびランドマーク構造を脳でスキャンするために使用されますが、脳の活性化を画像化するためにも使用できます。 MRIがどのように機能するかについての詳細は実際のMRIの記事のために残されていますが、MRIの使用は神経科学の研究で広範囲に及びます。これは、特に機能的MRI（fMRI）の出現により、心を研究する際の基盤となる技術です。機能的MRIは、活性化時に脳内の酸素レベルを測定し（より高い酸素含有量=神経活性化）、研究者は特定の刺激下で活性化の原因となる遺伝子座を理解できます。このテクノロジーは、脳の露出と接触刺激による単一細胞または遺伝子座の活性化の大幅な改善です。機能的MRIにより、研究者は異なる遺伝子座と脳の領域の間の関連性を引き出すことができ、脳内の新しいランドマークと遺伝子座を確立するための大量の知識を提供します。

コンピューター断層撮影（CT）は、脳のスキャンに使用される別のテクノロジーです。 1970年代から使用されており、脳の構造と活性化を追跡するために神経科学者が使用する別のツールです。 CTスキャンの機能の多くは現在MRIを使用して行われていますが、CTは脳の活性化と脳損傷を検出するモードとして使用できます。 X線を使用して、研究者は、脳内の関係を確立するツールとして脳の活性化を示す脳内の放射性マーカーを検出できるだけでなく、動脈瘤、変性などの脳に永続的な損傷を引き起こす可能性のある多くの損傷/疾患を検出できます癌。

ポジトロン放出断層撮影（PET）は、研究者を支援するもう1つの画像技術です。磁気共鳴やX線を使用する代わりに、PETスキャンは、グルコースなどの生物学的に関連するマーカーに結合された陽電子放出マーカーに依存しています。脳内の活性化が多いほど、その領域で栄養が必要になります。そのため、脳の画像では活性化がより明るくなります。 PETスキャンは代謝により活性化されるのに対し、MRIはより生理学的に活性化されるため（糖活性化対酸素活性化）、研究者により頻繁に使用されるようになっています。

経頭蓋磁気刺激

経頭蓋磁気刺激（TMS）は、本質的に脳への直接的な磁気刺激で​​す。電流と磁場は本質的に関連しているため、脳を磁気パルスで刺激することにより、脳内の特定の遺伝子座に干渉して予測可能な効果を生み出すことができます。この研究分野は、この技術をよりよく理解することで得られる可能性のある利益のために、現在大きな注目を集めています。脳内の粒子の経頭蓋磁気運動は、研究がこれが脳生理学に非侵襲的であることを実証したため、薬物の標的化および送達の見込みを示しています。

経頭蓋直流刺激

経頭蓋直流刺激（tDCS）は、頭皮に配置された電極を介して供給される一定の低電流を使用する神経刺激の一種です。 tDCSの効果の根底にあるメカニズムはまだ完全には理解されていませんが、tDCS中の脳の電気的活動の生体内評価を可能にするニューロテクノロジーの最近の進歩により、これらのメカニズムの理解が促進されます。健康な成人にtDCSを使用する研究では、刺激される脳の領域に応じて、tDCSがさまざまなタスクで認知機能を向上させることが示されています。 tDCSは、言語と数学的能力（tDCSの1つの形式も数学の学習を阻害することがわかったが）、注意スパン、問題解決、記憶、および調整に使用されてきました。

頭蓋表面測定

脳波（EEG）は、脳波活動を非侵襲的に測定する方法です。多くの電極が頭と頭皮の周りに配置され、電気信号が測定されます。睡眠のさまざまな段階に関連する特徴的な波のパターンがあるため、通常、EEGは睡眠を扱うときに使用されます。臨床的に脳波は、てんかん、脳内の脳卒中および腫瘍の存在を研究するために使用されます。脳波は、活性化中の脳内の電気信号を理解するための別の方法です。

脳磁図（MEG）は、脳内の電流から生じる磁場を測定することにより脳内の活動を測定する別の方法です。 EEGの代わりにMEGを使用する利点は、これらのフィールドが高度にローカライズされ、特定の遺伝子座が刺激に反応する方法、またはこれらの領域が過剰に活性化する場合（てんかん発作のように）をよりよく理解できることです。

インプラント技術

ニューロデバイスは、脳の活動を監視または調整するために使用されるデバイスです。現在、パーキンソン病の治療薬として臨床で使用できるものがいくつかあります。最も一般的なニューロデバイスは、不活発に襲われた領域に電気刺激を与えるために使用される深部脳刺激装置（DBS）です。パーキンソン病は、大脳基底核（核）の不活性化が原因であることが知られており、最近の研究では、運動障害に対するDBSの有効性に疑問がありますが、DBSはパーキンソン病の治療のより好ましい形態になりました。

ニューロモジュレーションは、ニューロデバイスと神経化学の使用を組み合わせた比較的新しい分野です。この分野の基礎は、多くの異なる要因（代謝、電気刺激、生理学）を使用して脳を調節でき、これらすべてがニューラルネットワークに埋め込まれたデバイスによって変調できることです。現在、この分野はまだ研究者段階ですが、ニューロテクノロジーの分野における新しいタイプの技術的統合を表しています。脳は非常に敏感な器官であるため、神経調節と埋め込み型神経デバイスが生み出す驚くべきことを研究することに加えて、身体からのネガティブな応答をできるだけ少なくするデバイスを作成する方法を研究することが重要です。これは、神経インプラントの材料表面の化学的性質を変更することで実現できます。

細胞療法

研究者は、最近いくつかの遺伝子座で発見された脳の幹細胞の使用を検討し始めました。この形式の治療法を大規模に使用できるかどうかを判断するために、多くの研究が行われています。実験では、脳が新しい細胞を産生し、ニューロン間の接続を増やすために、妊娠中の怪我を負った子供や変性疾患の高齢者の脳に幹細胞を使用することに成功しています。

医薬品

医薬品は、安定した脳化学を維持する上で重要な役割を果たしており、一般大衆や医学で最も一般的に使用されているニューロテクノロジーです。セルトラリン、メチルフェニデート、およびゾルピデムなどの薬物は、脳内の化学的モジュレーターとして作用し、生理学的条件下では脳が正常に作用できない多くの人々の正常な活動を可能にします。医薬品は通常言及されておらず、独自の分野を持っていますが、医薬品の役割はおそらく現代社会で最も広範囲でありふれたものです（この記事の焦点は主に神経医薬品を無視します、詳細については神経精神薬理学を参照してください）。薬物送達のための標的脳領域への磁性粒子の移動は、新たな研究分野であり、検出可能な回路損傷を引き起こしません。

低磁場磁気刺激

低強度の磁場による刺激は、ハーバード大学医学部でうつ病について現在研究中であり、ベルによって以前に調査されました。うつ病の治療に関してFDAの承認を受けています。また、自閉症などの他のアプリケーションのために研究されています。 1つの問題は、2つの脳が同じではなく、刺激が分極または脱分極のいずれかを引き起こす可能性があることです。 （他）、マリノ（他）など。

これらが脳の研究にどのように役立つか

磁気共鳴画像法は、脳の活性化を示し、研究中の脳の包括的な画像を提供する神経研究の重要なツールです。 MRIは脳の大きさを示すために臨床的に使用されますが、損傷や変形の程度を判断するために使用できるため、脳の研究には依然として関連があります。これらは、人格、感覚、記憶、高次思考、運動、および空間理解に大きな影響を与える可能性があります。ただし、現在の研究では、fMRIまたはリアルタイム機能的MRI（rtfMRI）に重点を置く傾向があります。これら2つの方法により、科学者または参加者はそれぞれ脳の活性化を見ることができます。これは、人がどのように考え、自分の脳が人の環境にどのように反応するかを理解するだけでなく、さまざまなストレスや機能障害の下で脳がどのように機能するかを理解する上で非常に重要ですリアルタイム機能的MRIは、患者が脳がストレッサーにどのように反応するかを見ることができ、視覚的なフィードバックを知覚できるため、神経科医と神経科学者が利用できる革新的なツールです。 CTスキャンは、損傷時に脳を画像化するために使用できるため、アカデミックな用途ではMRIに非常に似ていますが、知覚フィードバックはより制限されています。 CTは一般に臨床研究で学術研究よりもはるかに多く使用され、病院で研究施設よりもはるかに頻繁に見られます。また、PETスキャンは、ニューロンの代謝の取り込みを観察するために使用できるため、学界でより関連性があり、研究者は特定の条件での脳内の神経活動についてより広い視野を得ることができます。これらの方法の組み合わせにより、研究者は脳内の遺伝子座の生理学的挙動と代謝的挙動の両方の知識を得ることができ、特定の条件下での脳の部分の活性化と非活性化の説明に使用できます。

経頭蓋磁気刺激は、脳の機能を研究する比較的新しい方法であり、行動障害や幻覚に焦点を当てた多くの研究室で使用されています。神経科学コミュニティでTMSの研究を非常に興味深いものにしているのは、脳の特定の領域を標的にして、一時的にシャットダウンまたはアクティブ化できることです。それにより、脳の振る舞いを変えます。人格障害はさまざまな外的要因に起因する可能性がありますが、障害が脳の回路に起因する場合、TMSを使用して回路を無効にすることができます。これにより、「正常」からより予期しないものまで、多くの反応が生じる可能性がありますが、現在の研究は、TMSの使用が治療を根本的に変え、おそらく人格障害と幻覚の治療法として作用するという理論に基づいています。現在、これらの障害に苦しむ患者において、この不活性化効果をより永続的にすることができるかどうかを確認するために、反復経頭蓋磁気刺激（rTMS）が研究されています。一部の手法では、TMSとEEGなどの別のスキャン方法を組み合わせて、皮質反応などの脳活動に関する追加情報を取得します。

EEGとMEGの両方が現在、異なる条件下での脳の活動を研究するために使用されています。それぞれが同様の原理を使用しますが、研究者は脳の個々の領域を調べることができ、活性領域の分離と潜在的に特定の分類が可能になります。前述のように、EEGは、通常は睡眠サイクル中の不動の患者の分析に非常に役立ちます。 EEGを利用する他のタイプの研究もありますが、EEGは睡眠中の安静時の脳を理解する上で基本的なものです。 EEGおよびMEGには、外傷後のリハビリテーションと改善のチャート作成、てんかん患者または人格障害の特定の領域における神経伝導性のテストなど、他の潜在的な用途があります。

神経調節には、脳で望ましい効果を達成するために、組み合わせたり、単独で使用したりする多くの技術が含まれます。遺伝子および細胞療法は、研究および臨床試験でより一般的になりつつあり、これらの技術は、中枢神経系の疾患の進行を阻止するか、さらには逆転させるのに役立つ可能性があります。脳深部刺激は現在、運動障害のある多くの患者で使用されており、患者の生活の質を改善するために使用されています。脳深部刺激は、脳自体の機能を研究する方法ですが、大脳基底核（核）の特定の小さな領域が電流で刺激されたときに脳がどのように機能するかについて、外科医と神経科医の両方に重要な情報を提供します。

将来の技術

ニューロテクノロジーの未来は、それらがどのように基本的に適用されるかにあり、どの新しいバージョンが開発されるかということではありません。現在の技術は、心と脳がどのように機能するかについての多くの洞察を与えますが、これらの技術のより応用された機能を実証するための基礎研究が依然として必要です。現在、rtfMRIは疼痛治療の方法として研究されています。 deCharms et al。痛みの中で脳がどのように機能しているのかを認識すれば、痛みを知覚する方法が大幅に改善されることが示されています。直接かつ理解可能なフィードバックを提供することにより、研究者は慢性疼痛の患者が症状を軽減するのを支援できます。この新しいタイプのバイオ/メカニカルフィードバックは、疼痛治療の新しい開発です。機能的MRIは、クリニック以外のより多くの適用可能な用途でも検討されています。嘘を検出する新しい方法として誰かが嘘をついた場合の脳のマッピングの効率をテストする研究が行われました。同じ脈に沿って、EEGはうそ発見での使用も考慮されています。 TMSは、人格障害、てんかん、PTSD、片頭痛、およびその他の脳発火障害のある患者のさまざまな潜在的治療に使用されていますが、各状態でさまざまな臨床的成功を収めていることがわかっています。そのような研究の最終結果は、脳の知覚と発火を変更し、抑制条件下で永久に再配線するように患者の脳を訓練する方法を開発することです（詳細はrTMSを参照）。さらに、PETスキャンは、従来の診断の3年近く前にアルツハイマー病の検出で93％正確であることがわかりました。これは、PETスキャンが実験室と診療所の両方でより有用になっていることを示しています。

幹細胞技術は、その大きな可能性のために、一般大衆と科学者の両方の心の中で常に際立っています。幹細胞研究の最近の進歩により、研究者は脳を含む身体のほぼすべての面で研究を倫理的に追求することができました。研究によると、脳のほとんどは再生せず、通常は再生を促進するのが非常に難しい環境ですが、再生能力を持つ脳の部分（特に海馬と嗅球）があることが示されています。中枢神経系の再生に関する研究の多くは、この脳の再生の質の低さを克服する方法です。認知を改善し、神経経路の量を増やす治療法があることに注意することが重要ですが、これは脳内の神経細胞の増殖があることを意味するものではありません。むしろ、それは脳のプラスチック再配線と呼ばれ（ 可塑性を示すためプラスチック ）、成長の重要な部分と考えられています。それにもかかわらず、患者の多くの問題は脳のニューロンの死に起因し、この分野の研究者は、脳卒中、パーキンソン病、重度の外傷、およびアルツハイマー病などの患者の再生を可能にする技術の開発に努めています。まだ発展途上の段階ですが、研究者たちは最近、これらの病気の治療を試みる上で非常に興味深い進歩を遂げ始めました。研究者たちは最近、より安定したドーパミンの供給で再び動くことができることを期待して、パーキンソン病の患者の移植用のドーパミン作動性ニューロンの生産に成功しました。多くの研究者は、脊髄損傷の患者に移植できる足場を構築して、軸索（電気信号の伝達に起因する細胞の部分）の成長を促進する環境を提示し、患者が動くことや感じることができないようにします再び。可能性は多岐にわたりますが、これらの治療法の多くはまだ実験室段階にあり、診療所でゆっくりと適応されていることに注意することが重要です。一部の科学者は、この分野の発展に懐疑的であり、細胞治療が診療所で使用される前に難聴や麻痺などの臨床的問題を解決するために電気補綴物が開発される可能性がはるかに大きいことを警告します。

幹細胞、変調、またはリハビリテーションで治療できない脳障害に苦しむ人々の生活を改善するために、新しい薬物送達システムが研究されています。医薬品は社会で非常に重要な役割を果たしており、脳には非常に選択的な障壁があり、一部の薬物が血液から脳に行くのを防ぎます。髄膜炎などの脳の疾患には、薬物が血液脳関門を通過できないため、医師が直接薬物を脊髄に注入する必要があるものがあります。脊椎よりも血液に注入する方がはるかに簡単であるため、血液供給を使用して脳を標的にする新しい方法を調査するための研究が行われています。ナノテクノロジーなどの新しいテクノロジーは、選択的ドラッグデリバリーのために研究されていますが、これらのテクノロジーには他のテクノロジーと同様に問題があります。大きな障害の1つは、粒子が大きすぎると、患者の肝臓が粒子を吸収して排泄のために分解することですが、粒子が小さすぎると、粒子に効果を発揮するのに十分な薬物がありません。さらに、大きすぎる粒子は穴に収まらないか、穴を塞ぐことさえあり、脳への薬物の適切な供給を妨げる可能性があるため、毛細血管孔のサイズは重要です。他の研究は、体の制限によって妨げられない自由に流れるゲートを作成するために層間にタンパク質デバイスを統合することに関与しています。別の方向は、栄養素を輸送するために使用される脳内の受容体が血液脳関門を越えて薬物を輸送するために操作される受容体媒介輸送です。集束超音波が血液脳関門を瞬間的に開き、化学物質の脳への自由な通過を可能にすることさえ示唆している人もいます。最終的に、薬物送達の目標は、血流中の分解をできるだけ少なくして、遺伝子座内の薬物の量を最大化する方法を開発することです。

神経調節は運動障害の患者に現在使用されている技術ですが、現在この技術を他の障害に適用するための研究が行われています。最近、DBSがうつ病を改善して肯定的な結果が得られるかどうかに関する研究が行われ、この技術が脳の複数の障害の治療薬としての可能性があることが示されました。ただし、DBSはその高コストによって制限されており、発展途上国ではDBSの可用性は非常に限られています。 DBSの新しいバージョンは調査中で、オプトジェネティクスという新しい分野に発展しています。オプトジェネティクスは、脳深部刺激と光ファイバーおよび遺伝子治療の組み合わせです。基本的に、光ファイバーケーブルは電気刺激の下で点灯するように設計されており、タンパク質は遺伝子刺激によってニューロンに加えられ、光刺激の下で興奮します。したがって、これら3つの独立した分野を組み合わせることにより、外科医は特定のニューロンを興奮させて、何らかの障害のある患者の治療に役立てることができます。ニューロモジュレーションは、多くの患者に幅広い治療を提供しますが、障害の性質により、その効果の治療に現在使用されていることがしばしば一時的なものです。この分野の将来の目標は、DBSを患者の残りの人生で使用できるようになるまでの有効期間を長くすることにより、その問題を軽減することです。神経調節のもう1つの用途は、四肢麻痺患者が自分の考えで画面上のカーソルを操作する能力を可能にし、それにより周囲の人と対話する能力を高めることができる神経インターフェース補綴デバイスの構築です。運動皮質を理解し、脳が運動に信号を送る方法を理解することにより、この反応をコンピューター画面でエミュレートすることができます。

倫理

幹細胞

胚性幹細胞の使用に関する倫理的議論は、米国と海外の両方で論争を巻き起こしています。最近では、成体細胞から人工多能性幹細胞を作成する際の現代の進歩により、これらの議論は少なくなっています。胚性幹細胞を使用することの最大の利点は、適切な条件とシグナルを提供すれば、ほぼすべてのタイプの細胞を分化（形成）できることです。しかし、山中伸也らによる最近の進歩。そのような物議を醸す細胞培養を使用せずに多能性細胞を作成する方法を発見しました。患者自身の細胞を使用して目的の細胞型に再分化させることにより、胚性幹細胞の患者拒絶の可能性とそれらの使用に関連する倫理的懸念の両方が回避され、研究者に利用可能な細胞がより多く供給されます。しかし、人工多能性細胞は良性（潜在的に悪性）腫瘍を形成する可能性があり、損傷した組織での生体内 （ 生体内 ）での生存率が低い傾向があります。幹細胞の使用に関する倫理の多くは、その議論の余地があるため、胚/成体幹細胞の議論から落ち着きましたが、今では社会はこの技術を倫理的に使用できるかどうかについて議論しています。この技術がその潜在能力を最大限に発揮した場合、人間の行動に新しいパラダイムシフトが生じるのではないかという恐れから、特性の強化、組織足場への動物の使用、および道徳的変性の議論さえ行われています。

軍事用途

新しいニューロテクノロジーは、嘘発見技術や仮想現実から精神のリハビリテーションや理解に至るまで、常に政府の魅力を集めてきました。イラク戦争と対テロ戦争のため、イラクとアフガニスタンから戻ってきたアメリカ兵は、PTSDの割合が最大12％であると報告されています。回復のための新しい戦略を実行することにより、これらの人々の状態を改善したいと考えている多くの研究者がいます。医薬品と神経工学を組み合わせることで、一部の研究者は「恐怖」反応を低下させ、PTSDに適用できる可能性があると理論化する方法を発見しました。バーチャルリアリティは、軍隊で多くの注目を集めている別の技術です。改善されれば、現代の軍隊をよりよく準備し訓練するために、平和の時代に複雑な状況に対処する方法を兵士に訓練することが可能になるかもしれません。

プライバシー

最後に、これらの技術が開発されているとき、社会は、これらの神経技術が人々が常に秘密にしておくことができる一つのこと、彼らが考えていることを明らかにできることを理解しなければなりません。これらの技術には多くの利点がありますが、科学者、市民、政策立案者が同様にプライバシーへの影響を考慮する必要があります。この用語は、ニューロテクノロジーの分野における進歩の状態と目標に関係する多くの倫理的サークルで重要です（「神経倫理」を参照）。 「脳のフィンガープリンティング」やEEGやfMRIを使用した嘘発見などの現在の改善により、脳内の遺伝子座/感情的関係の一定のフィクスチャが生じる可能性がありますが、これらの技術はまだ完全な応用には数年かかります。これらのすべてのニューロテクノロジーが社会の将来にどのように影響するかを検討することが重要です。また、かつては私的情報であった新しい富を潜在的に提供するこれらの新しいテクノロジーの実装について、政治的、科学的、および民間の議論が聞かれることが示唆されています。一部の倫理学者は、TMSの使用にも関心があり、この手法を使用して、患者が望まない方法で患者を変えることができるのではないかと恐れています。

認知の自由

認知の自由とは、さまざまな神経工学や精神活性物質の使用などを含む、個人の精神的プロセス、認知、および意識を制御するための、個人の自己決定に対する推奨される権利を指します。この認識された権利は、関連する法律の改革と発展に関連しています。