Як посилити роботу мозку
Рентгенівський знімок пацієнта, що перебуває в стані мінімальної свідомості, на думку якого імплантовані електроди для глибокої стимуляції мозку (blog.panorama.it) Людство давно експериментує з різноманітними способами тимчасово змінювати роботу мозку, щоб отримати можливості, недоступні в природному режимі. Як правило, ці способи зводяться до вживання натуральних або синтезованих речовин, які, однак, впливають відразу на весь мозок. У розпорядженні вчених є інструмент, що дозволяє вибірково і локально впливати на окремі ділянки, посилюючи ту чи іншу функцію. Цей інструмент - електричне або магнітне поле, і його застосування призводить часом до вражаючих результатів.
Квітневий номер журналу Nature розповідає про експерименти Вінсента Кларка, нейробіолога з Університету Нью-Мексико (США). Кларк виявив, що транскраніальна стимуляція мозку постійним струмом (transcranial direct-current stimulation, tDCS) підвищує здатність до навчання. За умовами експерименту групі добровольців належало грати в комп'ютерну гру DARWARS Ambush !, розроблену для тренування військовослужбовців, які направляються в Ірак.
Її суть полягає у виробленні вміння помічати об'єкти, приховані на тлі складного ландшафту. За допомогою електродів, яких докладають до голови, випробовувані під час гри отримували 30-хвилинну електростимуляцію на правій стороні мозку. Учасники, яким подавався струм силою 2 міліампера, показали результати в два рази кращі, ніж ті, хто піддавався стимуляції струмом величиною всього 0,1 мА. «Вони навчалися швидше, але у них немає ніяких припущень або внутрішніх відчуттів щодо того, чому це відбувалося», - говорить Кларк. Вчений розглядає tDCS як спосіб практично розділити механізми навчання і свідомості. За його словами, дана область досліджень «незабаром зазнає вибухове зростання і дасть нам безліч нової інформації, в той же час поставивши перед новими питаннями».
Метод транскраніальної стимуляції мозку постійним струмом (tDCS) лякаюче доступний (2.bp.blogspot.com) У 2000-і роки почало складатися розуміння, за рахунок чого виникає спостережуваний ефект від tDCS. Постійний струм створює в тканини мозку електричне поле, яке змінює різницю потенціалів між сторонами клітинних мембран. Так звана «анодна» стимуляція, при якій струм направлений до електрода, призводить до деполяризації нейронів, в результаті чого підвищується їх готовність відповісти Спайком на надійшов сигнал від інших клітин. Відповідно, «катодна» стимуляція, при якій струм тече від електрода, викликає протилежний ефект, збільшуючи різницю потенціалів між зовнішньою і внутрішньою сторонами мембран і тим самим знижуючи збудливість нейронів. Зовсім недавно нейрофізіологам з Каліфорнійського технологічного інституту вдалося експериментально показати, що позаклітинні електричні поля дійсно змінюють характеристики потенціалів дії нервових клітин.
Згідно фармакологічним дослідженням, в районі синаптичних контактів під впливом електричного струму збільшується виробництво NMDA-рецептора. Це підсилює пластичність нервової тканини, тимчасово надаючи їй стан, при якому нейрони схильні перебудовувати свої з'єднання у відповідь на зовнішній стимул, такий як навчання нової поведінки. Наприклад, в 2009 р Леонардо Коен з Національного інституту неврологічних розладів (Меріленд, США) показав, що tDCS поліпшила здатність піддослідних навчатися простим вправам на координацію, причому це поліпшення зберігалося через три місяці після експерименту.
Крім прискорення процесів навчання, стимуляція мозку впливає на ряд інших властивостей психіки. Зокрема, цю методику всерйоз розглядають як перспективний засіб для лікування депресій, посттравматичних стресів, затримок мовного і психічного розвитку, інших нервових розладів. У 2007 р Феліпе Фрейн з Центру неінвазивної стимуляції мозку (Бостон, США) і Паоло Боджі з Університету Маккензі (Сан-Паоло, Бразилія) відкрили цікавий ефект tDCS.
Професор Аллан Снайдер розбудить в вас генія (www.zrobtosam.com) Виявилося, що вплив постійним струмом на область, розташовану вище скроні, так звану дорсолатеральних префронтальну зону, призводить до того, що людина стає менш готовим до прийняття ризикованих рішень. В рамках експерименту вчені попросили студентів пограти в нехитру гру, де натискання на клавішу наповнювало повітрям зображений на екрані повітряна куля. Чим сильніше вийде роздути куля, тим більше віртуальних грошей дістається учаснику.
У той же час, якщо куля лопне, все накопичення губляться.
Випробовувані, до яких застосовувалася tDCS, вели себе більш обережно і зупинялися раніше тих, хто не піддавався впливу. За словами Боджі, цей результат можна використовувати для лікування різного роду залежностей, при яких людям бракує «гальмуючого контролю» своїх вчинків.
Ці та ряд інших аналогічних експериментів дозволяють зробити висновок, що навіть слабкого і нетривалого, як у випадку tDCS, впливу поля на мозок досить, щоб поліпшити його працездатність. Разом з тим неминуче виникають щонайменше два питання: 1) чому більш ефективний режим в природних умовах вимкнений і 2) наскільки великий потенціал стимуляції в плані посилення когнітивних здібностей людини. В цілому про відповіді говорити поки рано, проте експерименти нейробіолога Аллана Снайдера дають на цей рахунок певну їжу для роздумів.
Професор Снайдер керує Центром з вивчення свідомості в Сіднеї (Австралія). Він стверджує, що кожен з нас має можливості, які демонструють так звані савантів, люди з екстраординарними здібностями. У нормальному мозку ці можливості присутні, але пригнічені високорівневою обробкою інформації, що організує цілісне смислове сприйняття. У савантів же доступ до сирих, необроблених даних не блокований, і вони користуються безпосередньо тим, що містить мозок. На жаль, найчастіше такий відкритий доступ супроводжується аутизмом, однак бувають винятки. Наприклад, розумово і психічно здоровий Орландо Серелл ( Orlando Serell ) Став пам'ятати подробиці кожного дня свого життя після того, як у віці 10 років йому в голову потрапив бейсбольний м'яч.
У звичайної людини високорівневу блокування можна тимчасово зняти методом низькочастотної транскраніальної магнітної стимуляції. В експериментах Снайдера магнітні імпульси прямували в ліву передню скроневу частку (LATL) випробовуваних, після чого у них спостерігалися помітні поліпшення здібностей в малюванні, читанні і рахунку. Зона LATL бере участь в семантичної обробці і формуванні категорій, а магнітне вплив в чомусь аналогічно тимчасового придушення цієї області. В результаті, як припускає Снайдер, вивільняється активність правої півкулі, і людина починає сприймати потік низькорівневих даних, що йдуть звідти.
Професор передбачає, що фотографічна пам'ять, множення чисел в розумі, вміння добре малювати і інші здібності савантів, - все це властивості, характерні для будь-якого мозку. За винятком того, що Савант мають до них доступ, а у решти він перекритий активністю лівої півкулі. Але гіпотетично можна навчитися впливати на мозок таким чином, щоб зняти штучне гальмування і отримати ці дивовижні можливості. Якщо Снайдер прав, нас очікують часи, коли в розпорядженні людей з'явиться когнітивний підсилювач і вони будуть використовувати його в своїй діяльності.
Застосування магнітної стимуляції, як і транскраніальна стимуляція постійним струмом (tDCS), являють собою неінвазивні методи впливу, які крім очевидних переваг мають один недолік. Внаслідок того, що джерело поля розташовується на поверхні черепа, порушених виявляється лише невеликий шар кори, далі якого стимуляція не робить ніякого впливу. Однак в мозку існують структури, що знаходяться досить глибоко, і подача електричного струму на них також призводить до дивних і благотворним для людини результатами. Щоб дістатися до цих структур, вчені використовують метод глибокого імплантації електродів в тканину мозку.
В окремих випадках, якщо в мозок вставити електрод і подати на нього напругу, у людини прокидаються несподівані спогади. Першим це зафіксував Уайлдер Пенфілд в 1950-х. Він лікував пацієнтів від епілепсії за допомогою глибокої електростимуляції (Deep Brain Stimulation, DBS). Під час процедури люди залишалися в свідомості і докладно описували свої відчуття. При подачі струму перед їх очима виникали різні сцени з їх життя. Минуле буквально вривалося в даний: пацієнти бачили, що відбувається, чули голоси, звуки, запахи. Вони впізнавали своїх знайомих, родичів, навколишнє оточення, могли назвати точне місце в місті, де «перебували» в той момент. При цьому віддавали собі звіт в тому, що в реальності лежать на операційному столі в Монреалі, одночасно існуючи в двох світах. Спогади були статичні. Вони розгорталися з природною швидкістю, немов соматичний досвід переживався знову. Часто згадувалася музика - пацієнти чули пісню, яка розвивалася від фрази до фрази, від приспіву до куплета так, що вони могли підспівувати. Один і той же фрагмент твору можна було викликати з пам'яті, знову подавши струм на електрод. Примітно, що задіяні нейрони активувалися вдруге легше, відгукуючись на меншу напругу.
Час від часу дослідники повторюють результати, описані Пенфілдом. Зі зрозумілих причин вони можуть бути тільки побічним ефектом експерименту, так як глибока електростимуляція вимагає хірургічної операції і застосовується тільки в лікувальних цілях. У 2008 р журнал Annals of Neurology повідомив про випадок з 50-річним пацієнтом, якого намагалися лікувати від ожиріння методом DBS. Раптово це викликало у нього яскраве переживання епізоду 30-річної давності. Він виявився в парку зі своїми друзями. Серед людей він також побачив свою дівчину того періоду життя. Одяг оточуючих відповідала минулого часу, люди в парку розмовляли. Спогад було кольоровим. Цікаво, що підвищення напруги з 3 до 5 вольт призводило до того, що сцена ставала більш живою і детальної. По всій видимості, величезна кількість фрагментів нашого життя зберігається десь глибоко в нейронах і залишається назавжди прихованим від нашої уваги.
Крім пожвавлення спогадів глибока стимуляція часом здатна буквальним чином оживити щось важливіше - свідомість людини. Варто відзначити успішний експеримент цілої команди медиків і неврологів, які зуміли відновити ключові функції мозку у чоловіка, шість з половиною років перебував в стані мінімальної свідомості. В результаті розбійного нападу в 1999 році він отримав великі ушкодження голови і втратив здатність до комунікації і цілеспрямованої поведінки.
Як пізніше показали томографічні дослідження, деякі важливі ділянки кори залишилися недоторканими, але не функціонували. Ця обставина зацікавило вчених. Вони припустили, що в результаті травм був відключений механізм, який активує кору. Ключова роль тут належить таламуса - структурі, в якій відбувається обробка і інтеграція практично всіх сигналів, що йдуть в кору великого мозку від спинного, середнього мозку, мозочка і базальних гангліїв. На думку медиків, якщо піддати електростимуляції ядра таламуса, це може привести до пробудження збережених ділянок кори. Однак таламус знаходиться глибоко в мозку, тому ніяка неінвазивна техніка до нього не дістане. Єдина можливість - впровадити електроди хірургічним шляхом.
Після довгих обговорень, що стосуються в основному етичних колізій, що виникли в зв'язку з оперированием людини без його згоди, процедура була виконана. Практично відразу ж, в перші два дні роботи електродів, стан пацієнта помітно покращився. Він став тримати очі відкритими тривалий час і відгукуватися на голоси, повертаючи голову. Вчені, проте, були змушені зробити паузу на 50 днів, щоб упевнитися, що поліпшення не є невідомим ефектом хірургічного втручання. Потім протягом 18 тижнів таламус стимулювали різними поєднаннями частоти і тривалості збуджень, щоб знайти найкращий варіант.
Хворий фактично повернувся до життя. Він став відповідати на питання, міг тримати в руках предмети і рухати кінцівками. Він почав ковтати їжу, але ж до цього шість років його годували через гастрономічну трубку. Його мати в інтерв'ю для преси ледь стримувала сльози: «Тепер мій син може говорити, є і дивитися кіно. Він може пити з кухля. Він може виражати біль. Він може сміятися і плакати ... »Це був перший випадок, коли методом глибокої стимуляції мозку (DBS) вдалося витягнути пацієнта зі стану мінімальної свідомості.
Як видно з вищесказаного, стимулювати мозок можна різними способами, наближаючи до нього електричне або магнітне поле або поміщаючи джерело безпосередньо всередину голови. Однак варто згадати ще один варіант: мозок отримує стимуляцію навіть тоді, коли електричний струм подається на іншу, правильно обрану, частина тіла. І ця частина тіла - мова. Експериментально показано, що електротактільная стимуляція мови помітно покращує координацію рухів, відчуття рівноваги і володіння мовою у людей, що зазнають труднощів в результаті травм мозку або хвороби.
Дослідження в даному напрямку проводить наш співвітчизник Юрій Данилов, який очолює Лабораторію тактильної комунікації і нейрореабілітації в Університеті штату Вісконсін (США). За його словами, ця технологія дозволить розробити нові клінічні додатки неінвазивної нейромодуляціі для травм мозку, розсіяного склерозу, інсультів, хвороби Паркінсона і, крім того, розширення можливостей сенсорних систем людини.
Велика частина описаних методів стимуляції мозку все ще вимагає спеціального обладнання і не виходить за межі медичних центрів і наукових лабораторій. У той же час щодо tDCS існують серйозні побоювання: щоб відтворити досвід в домашніх умовах, досить пари проводів, резистора і звичайної 9-вольтової батарейки. Якщо такий прокачуванням мозку стануть користуватися звичайні люди (наприклад, студенти перед іспитом), це дасть їм перевагу і, що більш істотно, сформує в суспільстві умови, які підштовхують громадян до використання подібних пристроїв. Науковий прогрес, як зазвичай, несе з собою різноманітні слідства, а завдання людини розумної - гідно в них розібратися.
Денис Тулін
Fox D. (2011) Neuroscience: Brain buzz - Nature
CA Anastassiou, R. Perin, H. Markram, C. Koch (2011) Ephaptic communication in cortical neurons - Nature Neuroscience
Snyder AW (2009) Explaining and inducing savant skills: privileged access to lower level, less-processed information - Phil. Trans. R. Soc. B
Chi RP, Snyder AW (2011) Facilitate Insight by Non-Invasive Brain Stimulation - PLoS ONE
Hamani, C et. al (2008) Memory enhancement induced by hypothalamic / fornix deep brain stimulation - Annals of Neurology
ND Schiff et al (2007) Behavioural improvements with thalamic stimulation after severe traumatic brain injury - Nature
Якщо ви знайшли помилку, будь ласка, виділіть фрагмент тексту і натисніть Ctrl + Enter.