Через двести тридцать пять лет после того, как итальянский ученый Луиджи Гальвани сообщил, что расчлененные лягушачьи лапки дергаются в ответ на статический заряд, приложенный к нерву, мы все еще исследуем тайны того, что он назвал «электричеством животных», особенно в мозге. То, что мозг генерирует немного собственного электричества, которое можно обнаружить с помощью электроэнцефалограммы или ЭЭГ, хорошо известно, как и тот факт, что некоторые нейрохирурги сегодня иногда используют тонкие волосы, чтобы стимулировать глубокие структуры мозга и остановить тремор Паркинсона. Но ученые в настоящее время изучают вопрос, который, ну, ну, ошеломляет: могут ли низковольтные дозы электричества, передаваемые через волосы, кожу и череп прямо в определенные области мозга, сделать уже здоровых людей острее и бдительнее?
Связанные чтения
Модернизируйте свой мозг: как использовать tDCS, ноотропы и микробы, чтобы революционизировать функцию вашего мозга
купитьАрон Барби, 39-летний нейробиолог из Университета Иллинойса, является лидером в этом исследовании, хотя он крайне мучительно осторожен в отношении его перспектив. Он сопротивляется идее, что завтрашние торговые центры и аэропорты будут иметь коммерческие станции зарядки мозга, обновленные версии сегодняшних остановок массажа, но если это будущее (или что-то подобное) сбудется, его работа сыграет решающую роль в его реализации., Барби является директором Лаборатории нейробиологии принятия решений в Институте передовых наук и технологий Бекмана при университете, и его эксперименты, как представляется, указывают на то время, когда студенты, солдаты, руководители и пожилые люди могут извлечь выгоду из лечения, которое называется транскраниальным постоянным током. стимуляция (tDCS).
В комнате без окон на военно-воздушной базе Райт-Паттерсон, недалеко от Дейтона, штат Огайо, я наблюдаю, как Джон Макинтайр, 33-летний гражданский волонтер, получает tDCS. Он сидит за компьютером, нажимая на серию крошечных мигающих огней, марлевую повязку, завернутую под подбородок и макушку головы. Повязка удерживает небольшую группу электродов на месте в верхней левой части головы. Еще одна группа электродов на его верхней правой руке. Провода из маленькой синей коробки на столе несут слабый электрический заряд, который течет от коробки к электродам на его голове и вниз по его мозгу к электродам на его руке. Исследователи полагают, что течение поражает некоторые ключевые области его среднего мозга, в том числе locus coeruleus, который выделяет норадреналин и участвует во внимании и бодрствовании.
«Я чувствую себя хорошо», - говорит Макинтайр в конце 30-минутного сеанса. Испытывал ли он какие-либо физические ощущения, когда ток проходил через его мозг? «Нет, - говорит он, - на самом деле я не могу сказать, получаю ли я лечение или нет». Поскольку это двойное слепое исследование, некоторые субъекты получают фиктивную СДТ без тока. (Макинтайр получил реальную вещь.) Исследователи говорят, что они не видели значительных побочных эффектов, только чувствительность кожи от электродов. Некоторые субъекты, которые получают tDCS, сообщают о головных болях позже, но также и некоторые из тех, кто получает ложное лечение.
Непрерывное исследование в Райт-Паттерсоне - это сотрудничество между группой Барби и исследовательской лабораторией ВВС (AFRL). Это только один из многих экспериментов, которые Барби начал с крупными партнерами по исследованиям. «Наша цель, - говорит он, - понять нейронные механизмы, лежащие в основе человеческого интеллекта и принятия решений, - как интеллект и принятие решений внедряются в мозг, - а затем использовать эти знания для разработки этих новых вмешательств».
Нетрудно понять, почему ВВС заинтересует то, что может предложить Барби. Многие из его персонала проводят до 12 часов в день, шесть дней в неделю, просматривая изображения с камер наблюдения и пытаясь определить их следы от беспилотников. Исследования показывают, что их производительность начинает снижаться уже через 20 минут при исполнении служебных обязанностей. «Пропуск целей в реальных боевых ситуациях - это большое дело, потому что это может кому-то стоить жизни», - говорит Энди МакКинли, нейробиолог из AFRL. «И мы считаем, что tDCS может стать инструментом, который поможет аналитикам, когда они начнут утомляться, поддерживать свои результаты».
Подпишитесь на журнал Smithsonian сейчас всего за $ 12
Эта статья является подборкой из майского номера журнала Smithsonian.
купитьПока что результаты оказались многообещающими. В серии исследований, опубликованных с 2013 года в NeuroImage, Brain Stimulation и других журналах, было показано, что только tDCS снижает усталость и улучшает или сохраняет работоспособность. Военнослужащие, которые получили ток утром, были намного более бдительными и бдительными, чем контрольные субъекты, когда они проходили тестирование ближе к вечеру. Лечение также, казалось, улучшило их настроение и уровень энергии. Маккинли, который работает с tDCS с 2007 года, говорит, что эффект 30-минутной дозы tDCS в два миллиампера утром «длится весь день». (Для сравнения, современные методы электросудорожной терапии включают до 900 миллиампер). В связанном, еще не опубликованном исследовании AFRL, посвященном депривации сна, испытуемые не спали в течение 21 часа, затем им давали кофеин, фиктивные СДТ или фактические СДТП, прежде чем продолжить выполнение своих обязанностей в течение еще 15 часов. Члены третьей группы удвоили точность в нахождении целей двух других групп. Они также сообщили о более высоких субъективных оценках настроения и сказали, что tDCS заставил их чувствовать себя обновленными.
Протокол, разработанный Барби, сочетает в себе комплексный режим работы, питание, когнитивные и физические упражнения с возможностью улучшить все - от математических навыков до абстрактных рассуждений. Своей работой он исследует природу и структуру человеческого разума и в процессе спрашивает, что на самом деле означает быть умным.
**********
Именно его работа с другим поколением военнослужащих научила Барби тонкостям человеческого мозга. В период с 2007 по 2011 год он работал научным сотрудником в Национальном институте здравоохранения и изучал группу ветеранов Вьетнама, которые перенесли травму головного мозга. Ущерб был причинен низкоскоростными осколочными и пулевыми ранениями - он был ограничен отдельными областями, что означало, что большинство их когнитивных функций были сохранены. Места и размеры их ран вызывали различные недостатки, включая проблемы с памятью, языком и с более высокими когнитивными функциями, такими как планирование и решение проблем.
Используя процесс, называемый картированием повреждений, Барби собрал диагностические изображения мозга ветеранов, а затем сопоставил поврежденную анатомию мужчин с их документированными проблемами. Результатом стал атлас мозга, который позволил связать определенные когнитивные функции с их основными нейронными сетями.
Джон Макинтайр, 33-летний инженер-исследователь, работает добровольцем для транскраниальной стимуляции постоянным током на авиабазе Райта-Паттерсона. (Линн Джонсон) 
Эксперименты tDCS включают в себя прикрепление электродов к голове и передачу низковольтных доз электричества, которые человек не может чувствовать. (Линн Джонсон) 
Макинтайр готовится к ТОК. (Линн Джонсон) 
Участник исследования в Университете Иллинойса готовится войти в аппарат МРТ. Исследователи используют эти данные для анализа структуры мозга и функции субъектов, которые получают tDCS. (Линн Джонсон) 
Процедура предназначена для повышения производительности при выполнении конкретной задачи. Здесь учащиеся-исследователи используют планшеты, чтобы завершить программу когнитивной тренировки в виде курсов электрического тока низкого уровня через мозг. (Линн Джонсон) 
Нейробиолог Арон Барби сопротивляется идее о зарядке мозга в торговых центрах и аэропортах. На самом деле, он предпочел бы не спекулировать на таких вещах. (Линн Джонсон) 
Барби берет перерыв медитации. В соответствии со своим целостным подходом к мозгу, он тратит время на медитацию каждый день и находит его особенно полезным для решения проблем, связанных с работой, таких как навигация по предложениям грантов. (Линн Джонсон) 
Терри Брэнн готов к проверке того, как физическая форма улучшает мозг. (Линн Джонсон) 
Питание и когнитивные упражнения также являются частью протокола Барби. (Линн Джонсон) 
Исследователи уточняют исследования по фитнесу и мозгу. Члены ВВС делают хорошие предметы, потому что они находятся в хорошей физической форме. (Линн Джонсон) 
Военно-воздушные силы заинтересованы в экспериментах Барби, потому что персонал, занятый экранами компьютеров, может потерять фокус и утомиться. (Линн Джонсон) 
Собирая диагностические снимки у ветеранов Вьетнама, перенесших черепно-мозговую травму, Барби обнаружил, что этот опыт «невероятно глубок». (Линн Джонсон) Опираясь на эти знания, Барби вместе с различными соавторами опубликовал серию статей, в которых выявляются сети мозга для общего интеллекта, эмоционального интеллекта, когнитивной гибкости, рабочей памяти и многого другого. В том, что можно было бы считать его шедевром картирования повреждений, опубликованным в журнале « Мозг» в апреле 2012 года, Барби и его коллеги амбициозно разработали архитектуру для общего интеллекта и исполнительной функции - сложного, целенаправленного поведения, которое включает широко распределенные части мозга, в том числе префронтальной коры. Это исследование, одна из крупнейших и наиболее полных оценок такого рода, проведенное на сегодняшний день, охватило 182 ветеранов Вьетнама и пришло к выводу, что интеллект «отражает способность эффективно интегрировать вербальные, пространственные, двигательные и исполнительные процессы посредством ограниченного набора корковых связей». Барби и его команда смогли определить многие из этих связей и описать, как они работали.
Опыт Барби с ветеранами оставил ему гораздо больше, чем впечатляющее резюме. «Это было невероятно глубоко», - говорит Барби, который сейчас работает редактором или членом совета директоров в четырех журналах, включая Frontiers in Neuroscience . «Мы проводим все это время на разработке этих теорий и думать о природе человеческого ума и действительно прилагает все усилия, чтобы попытаться понять функции этих сетей мозга. И это становится очень научным, очень техническим предприятием. Но затем, как только вы начинаете работать с людьми, работать с пациентами, с ветеранами Вьетнама, сразу становится ясно, что на карту поставлен этот очень важный вопрос. И на самом деле речь идет об улучшении качества жизни людей и поиске решений этих очень сложных проблем, с которыми они сталкиваются ».
Безумная сложность самого мозга - самое большое препятствие для решения таких проблем. Или так, казалось бы. Но эта сложность также позволяет науке повысить производительность в широком спектре задач - при условии, что исследователи знают, на какие сети ориентироваться. По словам Барби, стимулирование правильных сетей зависит от знания того, какие из них участвуют в данной задаче, и от способности нацеливать эти сети с правильной дозой и продолжительностью. «Так как же мы узнаем, стимулируем ли мы правильные структуры?» - спрашивает он. «Это зависит от задачи. Задача очень важна ».
В длинной тени всего, что мы не знаем о мозге, tDCS проливает новый свет на то, как он работает. Нейроны являются средой для электрической активности в мозге, но, как указывает Барби, «их около 100 миллиардов, и они обладают многими свойствами, которые ускользают от нас». Исследования Барби сосредоточены на человеческом интеллекте и принятии решений. По его словам, интеллект возникает в результате взаимодействия между несколькими сетями мозга, включая центральную исполнительную сеть, распределенную нейронную систему (своего рода трехмерную паутину), которая, как известно, поддерживает такие функции, как планирование, решение проблем, суждение и принятие решения.
В типичном эксперименте tDCS, нацеленном на центральную исполнительную сеть, Барби организует электроды для передачи тока через лобную и теменную доли, когда его субъекты выполняют компьютерную задачу. В одном таком тесте, называемом заданием n-back, участникам показывают буквы, и они должны вспомнить, соответствуют ли они тем буквам, которые они видели ранее.
Барби говорит, что электрический ток повышает возбудимость нейронов, вовлеченных в задачу, делая их более вероятными для запуска и укрепления синаптических связей между ними. «Нейроны, которые срабатывают вместе, соединяются вместе», - говорит Барби, цитируя аксиому легендарного канадского психолога Дональда Хебба. В сентябрьской статье 2015 года ученый AFRL Райан Джанкорд и его коллеги сообщили, что 30 минут tDCS у крыс «индуцировали значительное улучшение» связей между клетками в гиппокампе, которые важны для обучения и памяти.
У людей, tDCS также, по-видимому, привлекает дополнительные нейроны, изначально не вовлеченные в задачу, создавая то, что Барби называет подсетями, которые улучшают производительность. Но нет ничего полезного в повышении возбудимости нейронов, добавляет он. «Это эффективно только в определенных условиях, когда вы подаете электрический ток в регионы, которые вовлечены в задачу». Это ключевая часть того, как он управляет ТОК: субъект должен активно использовать части мозга, о которых идет речь. Однако Барбей всегда осторожен и подчеркивает, что «основные биофизические механизмы недостаточно хорошо охарактеризованы». Другими словами, исследователи не совсем уверены, почему tDCS делает то, что делает.
Некоторые задаются вопросом, делает ли это что-нибудь вообще. В январе 2015 года австралийский ученый Джаред Хорват и двое его коллег опубликовали анализ более 200 исследований ТДК. Их вывод: «Наш количественный обзор не подтверждает идею о том, что tDCS оказывает надежное влияние на когнитивные функции у здоровых взрослых». В статье приводятся разногласия, когда защитники tDCS подвергают сомнению методы Хорвата - он исключил более 170 исследований, результаты которых не имели были воспроизведены, по крайней мере, еще одной лабораторией. Барби принимает точку зрения Хорвата и отмечает, что, хотя tDCS широко исследовался, энтузиазм в отношении него «опередил механистические теории» о том, как он работает. Эти пробелы в знаниях, по его словам, задерживают разработку более эффективных протоколов и приводят к различным результатам, которые невозможно объяснить, подкрепляясь критикой, подобной критике Хорвата.
«Люди пытаются изменить свое сознание с тех пор, как осознали, что обладают сознанием», - говорит Джонатан Д. Морено, профессор медицинской этики и политики здравоохранения в Медицинской школе Перельмана в Университете Пенсильвании. Морено говорит, что он не в восторге от прогресса в области TDCS до сих пор. «Я просто думаю, что мы все еще так много в лесу, и мы будем надолго», - говорит он. «Это зависит от того, кого вы пытаетесь улучшить и для чего. Вы никогда не сможете заставить меня быть Эйнштейном, и Эйнштейн, вероятно, не нуждается в особом улучшении ».
Он менее скептически относится к терапевтическому использованию tDCS для восстановления определенной степени нормальной функции у людей с определенными нарушениями. «Терапия кажется более выполнимой, чем улучшение», - говорит он. Многочисленные исследования, проведенные в последние годы, показали, что он может быть эффективным средством для лечения большой депрессии, посттравматического стрессового расстройства и других психоневрологических проблем. Это также показало многообещающие результаты для пациентов с болезнью Альцгеймера и инсультом во время задач по запоминанию слов и распознаванию изображений. И исследование, проведенное в 2014 году, показало, что tDCS улучшило изучение языка, что позволяет предположить его потенциал для лечения языкового дефицита, вызванного инсультом. Исследования Военно-воздушных сил, не связанные с клиническими расстройствами, могут указывать на еще одну потенциальную пользу терапевтического tDCS: команды исследователей в Германии, Бразилии и США обнаружили, что две недели ежедневного tDCS могут привести к повышению эффективности работы в течение недель или даже месяцев очень специфическая задача. «Похоже, вы вносите длительные изменения в нервные связи в мозге», - говорит Маккинли.
42-месячный проект под названием Insight может дать более конкретные ответы. Лаборатория «Барби» запустила программу в 2014 году, с финансированием из канцелярии директора национальной разведки 12, 7 млн. Долларов. Это одно из крупнейших исследований способности рассуждать в новых условиях. Заявленная цель правительства состоит в том, чтобы улучшить адаптивное мышление и навыки решения проблем у сотрудников разведки. Под наблюдением Барби 1000 здоровых добровольцев в возрасте от 18 до 44 лет (многие из них - студенты Иллинойского университета) получают дозы tDCS, выполняя упражнения по когнитивной тренировке, которые проверяют эти навыки. Но это только часть протокола: они также проходят физкультурные занятия, а их диеты и состояние питания контролируются.
Упражнения могут показаться низкотехнологичными по сравнению с tDCS. Но Барби так же заинтересован в силе пота, как и в потенциале электричества. Он участвует в отдельном проекте с военно-воздушными силами, сосредоточенным на интенсивных интервальных тренировках. Упражнения сами по себе уже доказали, что они, по крайней мере, так же эффективны, как tDCS, для улучшения когнитивных функций. Хотя Барби говорит, что окончательное клиническое испытание еще предстоит сделать, более чем 40-летние исследования показывают увеличение объема серого вещества среди людей с хорошей физической подготовкой, а также снижение на 40 процентов риска снижения когнитивных функций у тех, кто регулярно занимается спортом. Пациенты с болезнью Альцгеймера, которые принимают участие в программах острых упражнений, имеют повышенный нейротрофический фактор мозга, белок, который способствует здоровью и росту клеток мозга.
По словам Барби, физические упражнения особенно впечатляюще влияют на исполнительные функции. «Если бы нам нужно было выйти на улицу прямо сейчас и бежать на полной скорости до самого конца улицы, а затем бежать на полной скорости обратно, - говорит Барби, - когда мы сели здесь, чтобы продолжить наш разговор, мы бы будьте более внимательны, наша память будет улучшена, у нас будут улучшенные функции исполнительного контроля, и эти эффекты будут длиться от 20 до 30 минут ».
Барби также хочет понять влияние питания на здоровье и когнитивные функции мозга. «Мы знаем, что если вы хотите стать спортсменом, вы должны есть определенные вещи и заниматься определенными видами физической активности», - говорит он. «Это питание действует и на мозг». Испытуемые в его проекте ВВС принимают специальные добавки, созданные лабораторией Барби в сотрудничестве с Abbott Nutrition. Формула является запатентованной, но Барби говорит, что она включает ингредиенты для укрепления мышечной силы, здоровья сердечно-сосудистой системы и аэробной подготовки, а также здоровья мозга. «В дополнение к этому, у нас есть специфические профили питания, которые, как мы предполагаем, играют важную роль в улучшении здоровья мозга и когнитивных способностей», - говорит он. Короче говоря, Барби считает, что физические упражнения и питание могут обеспечить длительные, целостные преимущества, которые, вероятно, никогда не сможет обеспечить только стимуляция определенных сетей мозга.
Тем не менее, tDCS остается самым экзотическим из вмешательств. Заманчиво предположить, что несколько сеансов лечения могут повысить общий интеллект, а не просто повысить производительность выполняемой задачи. Но Барби не нашел доказательств того, что tDCS может сделать человека умнее по всем направлениям. «Ответ, кажется, нет», - говорит он.
Это одна из причин, по которой он предвидит будущее, в котором люди будут использовать целевую ТСД вместе с изменениями образа жизни: последнее улучшит их общее состояние здоровья и умственную работоспособность, а первое улучшит конкретные когнитивные способности. По мнению Барби, набор вмешательств будет зависеть от целей человека. Субъект, возможно, хочет улучшить рабочую память, например, и нуждается в расширении задействованных мозговых сетей. «Способность разрабатывать индивидуальное вмешательство зависит от понимания основных механизмов», - говорит Барби. «Если мы не понимаем механизмы, мы, конечно, не можем добиться пошива».
Но Барби знает, что его работа питает альтернативное видение будущего, в котором люди во всех частных и коммерческих учреждениях могут регулярно садиться на зарядку мозга. Он предпочел бы не спекулировать о таких вещах, но когда его спрашивают, может ли эта модель существовать через 50 лет - своего рода объективы для мозга - он говорит: «Предполагая, что мы на правильном пути, предполагая, что tDCS на самом деле может привести к значительным улучшениям, тогда да ». Затем он быстро возвращается к современной реальности. «Но мы все еще изучаем эти методы, и мы все еще проводим эксперименты, чтобы оценить их эффективность. Так что еще рано. И вот что происходит с коммерцией. Они идут слишком быстро ». Барби придерживается смутного общего взгляда на коммерческую индустрию тренировки мозга и не хочет, чтобы люди смешивали его работу с ее предложениями. Например, миллионы пользователей смартфонов скачали такие игры, как Lumosity, которые утверждают, что значительно улучшают память. «Есть определенное свидетельство того, что если вы играете в игру с рабочей памятью, вы станете лучше в этой игре с рабочей памятью», - говорит он. «Менее ясно, имеет ли это какое-либо иное влияние». (Скептицизм Барби был усилен в январе, когда Lumosity согласилась заплатить 2 миллиона долларов, чтобы урегулировать федеральные обвинения в мошеннической рекламе за утверждение, что ее продукт может замедлить снижение когнитивных способностей. Решение в размере 50 миллионов долларов было приостановлено. потому что у компании не было денег.)
Барби настаивает на том, что в нейробиологии нет коротких путей. По крайней мере, два коммерческих устройства tDCS, Halo и Thync, в настоящее время доступны, но его отталкивает предположение, что можно стать умнее, просто щелкнув переключателем или сыграв в игру. «Нам действительно нужно идти трудным путем», - говорит он. Для Барби мозг требует не меньше.
