La neurotecnologia comprende qualsiasi metodo o dispositivo elettronico che si interfaccia con il sistema nervoso per monitorare o modulare l'attività neurale.
Gli obiettivi di progettazione comuni per le neurotecnologie includono l'utilizzo di letture dell'attività neurale per controllare dispositivi esterni come le neuroprotesi, l'alterazione dell'attività neurale tramite la neuromodulazione per riparare o normalizzare la funzione colpita da disturbi neurologici, o aumentare le capacità cognitive. Oltre ai loro usi terapeutici o commerciali, le neurotecnologie costituiscono anche potenti strumenti di ricerca per far avanzare le conoscenze fondamentali delle neuroscienze
Alcuni esempi di neurotecnologie includono la stimolazione cerebrale profonda, la fotostimolazione basata sull'optogenetica e la fotofarmacologia, la stimolazione magnetica transcranica e le interfacce cervello-computer, come gli impianti cocleari e gli impianti retinici.
Che cos'è Il campo delle neurotecnologie esiste da quasi mezzo secolo ma ha raggiunto la maturità solo negli ultimi vent'anni. Per interfacciare i dispositivi elettronici con il sistema nervoso è essenziale decodificare i meccanismi e i processi fondamentali della mente umana.Vázquez-Guardado, A., Yang, Y., Bandodkar, A. J., & Rogers, J. A. (2020). "Recent advances in neurotechnologies with broad potential for neuroscience research." Nature neuroscience, 23(12), 1522-1536. È uno degli sforzi centrali della rivoluzione tecnologica basata su una fusione di tecnologie che sta confondendo i confini tra la sfera fisica, digitale e biologica. L'interfaccia del dispositivo elettronico con il sistema nervoso consente il monitoraggio e la modulazione dell'attività neurale. I risultati positivi avranno profonde conseguenze nello sviluppo di metodologie di trattamento per le malattie neurologiche e nello sviluppo di neurotecnologie avanzate e impiantabili come interfacce bidirezionali per varie parti del sistema nervoso. I progressi in questi sforzi sono associati allo sviluppo di modelli basati sulla conoscenza dei processi naturali nei biosistemi che monitorano e/o modulano l'attività neurale. Una delle direzioni prospettiche si evolve attraverso lo studio del modello neurocognitivo madre-feto.Val Danilov, I. (2024). "Child Cognitive Development with the Maternal Heartbeat: A Mother-Fetus Neurocognitive Model and Architecture for Bioengineering Systems." In International Conference on Digital Age & Technological Advances for Sustainable Development (pp. 216-223). Springer, Cham. https://doi.org/10.1007/978-3-031-75329-9_24 Secondo questo modello, il meccanismo naturale innato assicura lo sviluppo corretto (equilibrato) del sistema nervoso embrionale.Val Danilov I. "The Origin of Natural Neurostimulation: A Narrative Review of Noninvasive Brain Stimulation Techniques." OBM Neurobiology 2024; 8(4): 260; doi:10.21926/obm.neurobiol.2404260. Poiché l'interazione madre-feto consente al sistema nervoso del bambino di evolversi con un'adeguata sensibilità biologica, condizioni ambientali simili possono curare il sistema nervoso danneggiato. Ciò significa che i processi fisiologici di questa neurostimolazione naturale sono alla base di qualsiasi tecnica di neuromodulazione artificiale non invasiva. Nell'ambito della modulazione dell'attività neurale, questa conoscenza apre la strada alla progettazione e alla messa a punto precisa di dispositivi di stimolazione cerebrale non invasiva nel trattamento di diverse malattie del sistema nervoso studiando il modello neurocognitivo madre-feto.
I settori più specializzati dello sviluppo della neurotecnologia per il monitoraggio e la modulazione dell'attività neurale mirano a creare concetti potenti in neuron-like electrodes,Yang, X. et al. "Bioinspired neuron-like electronics." Nat. Mater. 18, 510–517 (2019). hybrid biotic–abiotic electrodes,Rochford, A. E., Carnicer-Lombarte, A., Curto, V. F., Malliaras, G. G. & Barone, D. G. When bio meets technology: biohybrid neural interfaces. Adv. Mater. 32, e1903182 (2020). planar complementary metal-oxide semiconductor sistemi come piattaforme per la mappatura elettrofisiologica ad alta densità,Tsai, D., Sawyer, D., Bradd, A., Yuste, R. & Shepard, K. L. "A very large-scale microelectrode array for cellular-resolution electrophysiology." Nat. Commun. 8, 1802 (2017). injectable bioconjugate nanomaterials come agenti di trasduzione per forme magnetiche e/o elettromagnetiche di neuromodulazione e imaging,Wu, X. et al. "Sono-optogenetics facilitated by a circulationdelivered rechargeable light source for minimally invasive optogenetics." Proc. Natl. Acad. Sci. USA 116, 26332–26342 (2019). implantable optoelectronic microchips come fonti di neuromodulazione e componenti minimamente invasivi che utilizzano gli ultrasuoni come veicoli di trasferimento di potenza e di comunicazione wireless per il monitoraggio dell'attività neurale.Mohanty, A. et al. "Reconfgurable nanophotonic silicon probes for sub-millisecond deep-brain optical stimulation." Nat. Biomed. Eng. 4, 223–231 (2020).Seo, D. et al. Wireless recording in the peripheral nervous system with ultrasonic neural dust. Neuron 91, 529–539 (2016).
L'avvento dell'imaging cerebrale ha rivoluzionato il campo, consentendo ai ricercatori di monitorare direttamente le attività del cervello durante gli esperimenti. La pratica nelle neurotecnologie può essere trovata in campi come le pratiche farmaceutiche, che si tratti di farmaci per la depressione, il sonno, l'ADHD o gli anti-nevrotici alla scansione del cancro, alla riabilitazione dell'ictus, ecc.
Molti nel campo mirano a controllare e sfruttare maggiormente ciò che fa il cervello e come influenza gli stili di vita e le personalità. Le tecnologie comuni tentano già di farlo; giochi come BrainAge e programmi come Fast ForWord che mirano a migliorare le funzioni cerebrali sono neurotecnologie.
Attualmente, la scienza moderna può visualizzare quasi tutti gli aspetti del cervello e controllare un certo grado della funzione del cervello. Può aiutare a controllare la depressione, l'iperattivazione, la privazione del sonno e molte altre condizioni. Dal punto di vista terapeutico può aiutare a migliorare la coordinazione motoria dei pazienti con ictus, migliorare la funzione cerebrale, ridurre gli episodi epilettici (vedi epilessia), migliorare i pazienti con malattie motorie degenerative (morbo di Parkinson, malattia di Huntington, SLA) e può anche aiutare ad alleviare la percezione del dolore fantasma. I progressi nel campo promettono molti nuovi miglioramenti e metodi di riabilitazione per i pazienti con problemi neurologici. La rivoluzione delle neurotecnologie ha dato vita all'iniziativa Decade of the Mind, avviata nel 2007. Offre anche la possibilità di rivelare i meccanismi attraverso i quali la mente e la coscienza emergono dal cervello.
Tipi
Nel trattamento di diverse malattie del sistema nervoso, esistono due categorie principali di neuromodulazione: chimica ed elettrica. La neuromodulazione elettrica ha tre sottocategorie: cerebrale profonda, del midollo spinale e transcranica (cerebrale). Anche la stimolazione cerebrale profonda è invasiva come quella chimica. Ciò comporta l'impianto chirurgico di elettrodi in sezioni specifiche del cervello. La stimolazione del midollo spinale è una forma di terapia di neuromodulazione invasiva che fornisce impulsi elettrici lievi al midollo spinale. Un generatore di impulsi impiantabile fornisce impulsi lievi lungo sottili cavi elettrici che portano a piccoli contatti elettrici nell'area della colonna vertebrale da stimolare. Per la stimolazione cerebrale non invasiva vengono utilizzati varie domini di neuromodulazione: "Acoustic photonic intellectual neurostimulation" (APIN), "Light therapy" (LT), "Photobiomodulation" (PBM), il gruppo delle techniche di elettroneuromodulazione [Stimolazione magnetica transcranica, TMS (Transcranial magnetic stimulation), Stimolazione magnetica transcranica ripetitiva, rTMS, Stimolazione magnetica transcranica elettrica a correnti dirette, tDCS (Transcranial direct current stimulation), Stimolazione magnetica transcranica elettrica a corrente alternata, tACS (Transcranial alternating current stimulation), Stimolazione magnetica transcranica a rumore casuale, tRNS (Transcranial random noise)], "Low-frequency sound stimulations" (LFSS), including "Vibroacoustic therapy" (VAT) and "Rhythmic auditory stimulation" (RAS).
Stimolazione cerebrale profonda
La stimolazione cerebrale profonda è attualmente utilizzata nei pazienti con disturbi del movimento per migliorare la qualità della vita dei pazienti.
Stimolazione magnetica transcranica
La stimolazione magnetica transcranica (TMS) è una tecnica per applicare campi magnetici al cervello per manipolare l'attività elettrica in punti specifici del cervello. Questo campo di studio sta attualmente ricevendo una grande attenzione a causa dei potenziali benefici che potrebbero derivare da una migliore comprensione di questa tecnologia. Il movimento magnetico transcranico delle particelle nel cervello mostra risultati promettenti per il targeting e la somministrazione di farmaci poiché gli studi hanno dimostrato che questo non è invasivo sulla fisiologia cerebrale.
La stimolazione magnetica transcranica è un metodo relativamente nuovo per studiare come funziona il cervello e viene utilizzato in molti laboratori di ricerca incentrati su disturbi comportamentali, epilessia, PTSD, emicrania, allucinazioni e altri disturbi. Attualmente, la stimolazione magnetica transcranica ripetitiva è oggetto di ricerca per vedere se gli effetti comportamentali positivi della TMS possono essere resi più permanenti. Alcune tecniche combinano la TMS e un altro metodo di scansione come l'EEG per ottenere ulteriori informazioni sull'attività cerebrale come la risposta corticale.
Stimolazione transcranica in corrente continua
La stimolazione transcranica a corrente continua (tDCS) è una forma di neurostimolazione che utilizza una corrente costante e bassa erogata tramite elettrodi posti sul cuoio capelluto. I meccanismi alla base degli effetti della tDCS sono ancora incompleti, ma i recenti progressi nella neurotecnologia che consentono la valutazione in vivo dell'attività elettrica cerebrale durante la tDCS promettono di migliorare la comprensione di questi meccanismi. La ricerca sull'uso della tDCS su adulti sani ha dimostrato che la tDCS può aumentare le prestazioni cognitive in una varietà di compiti, a seconda dell'area del cervello stimolata. tDCS è stato utilizzato per migliorare le abilità linguistiche e matematiche (sebbene sia stata trovata anche una forma di tDCS per inibire l'apprendimento della matematica), capacità di attenzione, risoluzione dei problemi, memoria e coordinazione.
Elettrofisiologia
L'elettroencefalografia (EEG) è un metodo per misurare l'attività delle onde cerebrali in modo non invasivo. Vengono posizionati numerosi elettrodi intorno alla testa e al cuoio capelluto e vengono misurati i segnali elettrici. Clinicamente, gli EEG vengono utilizzati per studiare l'epilessia, nonché la presenza di ictus e tumore nel cervello. L'elettrocorticografia (ECoG) si basa su principi simili ma richiede l'impianto invasivo di elettrodi sulla superficie del cervello per misurare i potenziali di campo locale o potenziali d'azione in modo più sensibile.
La magnetoencefalografia (MEG) è un altro metodo per misurare l'attività nel cervello misurando i campi magnetici che derivano dalle correnti elettriche nel cervello. Il vantaggio dell'uso del MEG invece dell'EEG è che questi campi sono altamente localizzati e danno luogo a una migliore comprensione di come specifici loci reagiscono alla stimolazione o se queste regioni si attivano eccessivamente (come nelle crisi epilettiche).