Imagine you could control your computer's mouse with your brain instead of your hand¹。想象一下帮助患者脊髓损伤再次行走²by using a brain implant.

It might sound like science fiction, but researchers have figured out how to make both scenarios a reality. It's all thanks to neurotechnology.

有许多不同类型的神经技术，每种都可以发挥作用。从改善神经和精神疾病的疗法到增强当前的人类能力（曾经想读某人的思想？）神经技术具有广泛的应用，使其成为一个值得关注的蓬勃发展的领域。

What is neurotechnology?

以最简单的形式，神经技术是技术组件的整合³与神经系统。这些组件可以是计算机，电极或任何其他工程，可以将其设置为与通过我们身体的电脉冲接口。

神经技术has two main objectives - either to record signals from the brain and “translate” them into technical control commands (like our brain-controlled computer mouse), or to manipulate brain activity by applying electrical or optical stimuli (to help our paralysis patient).

神经技术的应用是广泛的 - 从发展学术研究的潜力到治疗学，到开发脑/机器界面等等 - 而且还有很多不同类型的神经技术，有些具有比其他类型的侵入性，我们将涵盖这一点，我们将涵盖这些神经技术在这篇文章中。

电生理学

In the 1780s, while experimenting with frogs’ legs, Luigi Galvani noticed that applying electric shocks made the legs twitch⁴- even though they were disconnected from the frog's brain and body.

这一突破激发了两个世纪的研究，这将教会我们大量⁵about how neurons fire in response to stimuli, and how that firing is carried across different areas of the brain. It was the key that unlocked our understanding of how the brain is organized⁶。

In a nutshell⁷，电生理学涉及使用电极来了解神经元的电性能。研究人员可以一次记录数百个细胞的活性，或使用贴片钳技术在单个细胞中回家。

An electroencephalogram (EEG) [1] 是一种用于一次记录几个神经元电活动的电生理监测方法。它通常是无创的，电极排列在盖子上并放在头皮上，该电极测量下面大脑区域的电压波动⁸。相比之下，电皮质图（ECOG）涉及将电极直接接触与大脑表面并测量那些特定的大脑区域中的脑波。它通常在术中用于绘制大脑的癫痫区域并促进其安全去除⁹。

图1：贴片钳电生理学

在贴片钳电生理学中¹⁰, a glass micropipette with diameter < 3 microns¹¹被插入单个细胞的膜中。通过反膜通道从细胞内部到外部的电动离子给移液器溶液充电。该离子的跨膜运动产生的电流由金属电极检测到，该电极将数据传递到放大器。这项技术为研究人员提供了令人难以置信的精确性和读数的确定性。

研究人员还可以一次测量几个神经元的活性。有两种主要方法¹²。首先，可以使用微电极阵列。这是数十个电极的网格，可以记录大脑表面多个神经元的活性。尽管尺寸很小，但它仍然太大，无法将其深入大脑，因此该技术保留给大脑表面的神经元。

第二种技术涉及四极管。四极管是仅由四个活性电极组成的微电极阵列 - 使其足够小，可以插入这些更深的区域。

测量大量神经元¹³这样会导致更多的不确定性。某些类型的神经元具有独特的波形，使其易于识别。但是，这些是例外，而不是规则。大多数神经元具有模棱两可的波形，因此很难确切确定已研究了哪些神经元。

大脑刺激

深脑刺激是指一种技术¹⁴that involves surgically implanting an electrode into specific areas of the brain to modulate the way it operates. These electrodes produce electrical impulses that regulate abnormal neuronal activity in the patient.

传递到大脑的刺激受到上胸部皮肤下植入的起搏器样装置的调节。一条线从这个起搏器到电极下的皮肤下方。尽管高度侵入性，但此过程是可逆的¹⁵通常不会导致许多副作用。

图2：深脑刺激器包括与大脑中电极相连的起搏器。

虽然确切的动作机制尚不清楚¹⁶，治疗作用¹⁷深脑刺激可能很重要。

例如，已经显示了将电极植入丘脑的腹侧中间核¹⁸植入后6年以上，要大幅度降低震颤甚至停止疾病进展。

此外，已经显示了刺激球粒的内部段或丘脑下核的刺激¹⁹to decrease the symptoms of bradykinesia, rigidity and gait impairment in patients with Parkinson's Disease. Other conditions that benefit from treatment with deep brain stimulation include epilepsy, OCD and dystonia.

经颅磁刺激

经颅磁刺激（TMS）²⁰是一种最近开发的技术，用于治疗精神病和神经系统疾病。它属于越来越多的非侵入性脑刺激（NIB）的领域²¹techniques.

TMS将头皮暴露于磁场，该磁场可以调节从目标区域中的神经元发射的电信号。通常，磁场会从“魔杖状”设备中散发出来。

Though the exact biological mechanism of TMS is not understood, it has been shown to provide relief²²from depressive symptoms and improve mood in some patients.

经颅直流刺激

经颅直流刺激（TDC）是一种大脑刺激的方法²³这集中在调节行为和认知过程以及运动功能的神经回路上。

像TMS一样，TDCS是一种无痛和无创的程序。将两个电极放在参与者的头皮上 - 一个半球上的较小的目标电极，另一个半球上的较大的参考电极。弱的电流从目标电极通过大脑，转到参考电极 - 并在此过程中调节患者的行为。

One line of study currently in the spotlight is ADHD therapy. Cognitive control tasks rely on good prefrontal cortex function - the impairment of this region can lead to impulse control issues. Studies have found that adolescents with ADHD exhibit reduced activity in certain prefrontal cortex regions, specifically the left dorsolateral prefrontal cortex (DLPFC). Using tDCS to stimulate the left DLPFC has been shown to reduce impulsivity in patients with ADHD, by effectively making up for the deficit in activity²⁴。

图3：TDC可以通过盖子安装的电极传递。

It is generally accepted²⁵阳性或兴奋性电流与目标电极下大脑区域调节的行为的上调有关。

On the other hand, negative cathodal, or inhibitory, current is associated with downregulation of said behaviors.

tDCS is used to identify²⁶认知，运动，社会和情感领域的脑行为关系。已经证明了TDC在健康人群上的应用²⁷to temporarily modify behavior, accelerate learning, and boost task performance.

Focused ultrasound

Breakthrough research²⁸at Carnegie Mellon University has recently shown that low-intensity ultrasound techniques can be applied to manipulate neurons in a cell-type selective manner. In other words, focused ultrasound (FUS) gives researchers the power to modulate specific neuro-circuits, making FUS a more highly targeted neurotherapy²⁹而不是深脑刺激，TMS和TDC。

Figure 4: A diagram showing the mechanisms behind focused ultrasound (FUS).

FUS神经调节通过在靶向高度靶向的大脑区域通过头骨引导超声波能来起作用。通过调整参数，科学家可以激发或抑制特定的神经回路。

FUS is FDA-approved in the US for treatment of essential tremor³⁰。但是，它仍然没有在医院中广泛使用 - 它是一种相对新颖的疗法，仅十年了。它比旧疗法具有多种优势，即基本震颤，即无创，不依赖辐射，也不构成任何感染的风险³¹。由于这些原因，我们可能会在未来几年看到它的存在。

Brain computer interfaces

简而言之，脑部计算机界面（BCI）³²is a computer-based system that receives brain signals, analyzes them and then translates them into commands for devices, which produce a desired output.

The main function of BCI in a medical context is therapeutic - restoring normal neuromuscular function to patients with disorders such as amyotrophic lateral sclerosis (ALS), cerebral palsy, stroke or spinal cord injury.

将大脑信号变成计算机系统的命令意味着患者将能够移动光标，在键盘上输入，操纵假肢 - 仅通过使用大脑。2015年，休斯顿大学的研究人员成功地使截肢者控制了自己的假肢，这仅是第一次使用他的思想 - 而无需侵入性的大脑植入物。

Instead, the subject wore an 64-channel EEG headset, which monitored brain activity across motor, decision-making and action observation regions of the brain. The neuronal activity in these regions preceded the movement of the prosthetic hand by 50 - 90 milliseconds, proving that the brain was anticipating the movement before it happened³³。

Beyond this, BCIs also have a role to play in making surgery safer³⁴。For example, BCIs can be used to monitor the surgeon's mental focus while they are performing a procedure, and then use this information to make the procedure safer. This system can train the surgeon to regulate their own mental state while performing surgery-like tasks using a robotic system. The system presents augmented reality feedback to the surgeon, which helps their effort in maintaining a high level of mental focus during the task.

脑植入物

下面的视频显示了一只猴子在打乒乓球³⁵。坦白地说，观看非常奇怪的是，这是动作中的脑部计算机界面的美丽例证。这项由埃隆·马斯克（Elon Musk）的公司Neuralink开发的技术是对脑植入物感兴趣的复兴的一部分。

尽管它们听起来像是属于未来的东西，但自20世纪初以来，人类对脑植入物的迷恋就已经存在，随着汉斯·伯杰（Hans Berger）在1929年的脑电图发展（EEG）的发展。³⁶

脑植入物首先是大脑和计算机接口的方式之一。它们允许用户与计算机和其他外部设备（例如机器人手）进行通信。这使他们成为强大的候选人，作为可能在四肢神经损伤或脊髓, as the brain implant allows these nerves to be bypassed entirely while still achieving the desired output.

植入物记录具有高时间和空间分辨率的神经元的动作电位和局部田间电位³⁷。这使研究人员一次涵盖了许多神经组织。

外科医生目前通过颅骨切开手动植入。虽然肯定是侵入性的，但该过程是可逆的³⁸没有任何严重的副作用，至少在猪that Musk has also experimented on.

虽然马斯克对神经的愿景是将其大脑技术作为选修课提供³⁹对于任何普通人，其他脑植物公司的思考方式都不同。

例如，弗洛里安·索尔兹巴赫（Florian Solzbacher）清楚地表明，不可植入的BCIS的发展⁴⁰他的公司也很感兴趣贝莱德神经技术。据该公司称，目前，世界上只有34人在大脑中植入了一种设备 - 这种神经技术显然仍处于起步阶段。

也就是说，贝莱德的Moveagain BCI植入物最近从FDA获得了突破性的设备名称，该公司打算今年将MoveAgain商业化⁴¹。想象我们可能会站在脑植入物的悬崖上，作为一种标准疗法，是几种使人衰弱的慢性病。

神经技术的伦理学

如果阅读有关神经技术中所有这些发展的信息uncomfortable, you're not alone.

神经技术虽然在治疗上非常有前途，但却是一个道德的雷区。它以更容易的营销的名义提出了有关数据，隐私权和副作用法规风险的问题。

让我们回想一下我们的乒乓球。监测Pager神经活动性的研究人员在其计算机上具有该数据。谁拥有该数据？是Pager的还是Neuralink的？

Moving a cursor on a screen is one thing, but what if the neural activity encoded is more sensitive than that? What kind of rules around privacy exist to protect the user? These are all questions that need to be considered.

The rapid rise in interest in neurotechnology has also meant regulation has been slow to keep up. Because the way products are marketed informs the regulations they need to comply with, there is a fear that companies are sidestepping critical checks⁴²by marketing their neurotechnologies as "wellness" products rather than medical devices.

结论

神经技术领域涵盖了许多技术和类型的技术。从能够记录单个神经元开火的活动，到调节整个大脑区域的活动，毫无疑问，神经技术是并且将继续改变我们对待神经系统和精神病的方式。

正如BlackRock Neurotech的Florien Solzbacher所说：“我认为，在20 - 30年内，这些类型的植入物将与今天的心脏起搏器一样普遍和可以接受。”⁴³If Solzbacher's predictions come true, it will change the game for sufferers of dementia, mood disorders and neurodegenerative diseases. Neurotechnology has the potential to help us diminish the symptoms of these diseases, but also to augment the human experience. We just have to be open to it.

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About the author:朱莉娅is a location-independent writer with a passion for communicating scientific ideas to the public. She holds a BSc (Hons) in Medical Science and a MSc in Sustainable Agriculture, and loves writing about neuroscience, behaviour, agriculture, ecology, conservation, and more. In her free time she loves dancing, hiking, and making music.