Двеста тридесет и пет години след като италианският учен Луиджи Галвани съобщи, че разчленените жабешки крака потрепват в отговор на статичен заряд, приложен към нерв, ние все още изследваме загадките на това, което той нарича „животинско електричество“, особено в мозъка. Че мозъкът генерира малко собствено електричество, което може да бъде открито чрез електроенцефалограма или ЕЕГ, е добре установено, както е фактът, че някои неврохирурзи днес понякога използват тънки коси електроди, за да стимулират дълбоки мозъчни структури и да спрат треперенето на Паркинсон. Но учените сега изследват въпрос, който е, добре, умопомрачителен: Могат ли нисковолтовите дози електроенергия, предавани през косата, кожата и черепа директно в определени области на мозъка, да направят вече здравите хора по-остри и по-бдителни?
Свързани четива
Надстройте мозъка си: Как да използвате tDCS, ноотропи и микроби, за да революционизирате мозъчната си функция
КупуваАрон Барби, 39-годишен невронаучен работник в Университета на Илинойс, е лидер в това проучване, макар че той е изключително предпазлив за перспективите му. Той се противопоставя на идеята, че утрешните молове и летища ще разполагат с търговски станции за зареждане на мозъка, актуализирани версии на днешния масаж спират, но ако това бъдеще (или нещо подобно) се сбъдне, работата му ще изиграе решаваща роля за осъществяването му, Барби е директор на лабораторията за невронаучни решения на UI в Института за напреднали науки и технологии в Бекман и неговите експерименти изглежда показват време, когато студенти, войници, ръководители и възрастни хора могат да се възползват от лечение, наречено транскраниален постоянен ток стимулация (tDCS).
В стая без прозорци във военновъздушната база Райт-Патерсън, близо до Дейтън, Охайо, гледам Джон Макинтиър, 33-годишен цивилен доброволец, да получава tDCS. Той седи до компютър, кликвайки върху серия от малки мигащи светлини, марлева превръзка, увита под брадичката и в горната част на главата. Превръзката поддържа малка струпване от електроди на място в горната лява част на главата му. В горната му дясна ръка има още един куп електроди. Проводниците от малка синя кутия на бюрото носят слаб електрически заряд, който тече от кутията към електродите на главата и надолу, въпреки че мозъкът му към електродите на ръката му. Изследователите смятат, че токът удря някои ключови области на средния му мозък, включително локуса коерлеус, който освобождава норепинефрин и участва в вниманието и будността.
"Чувствам се добре", казва Макинти в края на 30-минутната сесия. Изпитвал ли е някакви физически усещания, докато токът минавал през мозъка му? „Не“, казва той, „всъщност не мога да разбера дали получавам лечение или не.“ Тъй като това е двойно-сляпо проучване, някои субекти получават неистински tDCS, без ток. (McIntire получи истинското нещо.) Изследователите казват, че не са виждали значителни странични ефекти, а само някаква чувствителност на кожата от електродите. Някои субекти, които получават tDCS, съобщават за главоболие след това, но така правят и някои от тези, които получават шаманско лечение.
Продължаващото проучване в Райт-Патерсън е сътрудничество между групата на Барби и Изследователската лаборатория на ВВС (AFRL). Това е само един от многото експерименти, които Барби започна с големи изследователски партньори. "Нашата цел", казва той, "е да разберем невронните механизми, които стоят в основата на човешката интелигентност и вземане на решения - как интелигентността и вземането на решения се прилагат в мозъка", а след това да използваме тези знания за разработването на тези нови интервенции. "
Не е трудно да разберем защо ВВС биха се интересували от това, което Барби може да предложи. Много от нейния персонал прекарва до 12 часа на ден, шест дни в седмицата, разглеждайки снимки на наблюдения и се опитва да идентифицира техните марки на дронове. Изследванията показват, че работата им започва да намалява след само дежурни 20 минути. „Липсването на цели в битките в реалния живот е голяма работа, защото това може да струва на някого живота им“, казва Анди Маккинли, невролог на AFRL. „И ние смятаме, че tDCS може да бъде инструмент, който да помогне на анализаторите, когато започнат да се уморяват, да поддържат своите резултати.“
Абонирайте се за списание Smithsonian сега само за 12 долара
Тази статия е селекция от майския брой на списание Smithsonian
КупуваЗасега констатациите бяха обещаващи. В поредица от изследвания, публикувани от 2013 г. в NeuroImage, Brain Stimulation и други списания, само tDCS показва, че намалява умората и подобрява или запазва работата. Членовете на службата, които получиха тока сутрин, бяха много по-бдителни и бдителни от контролните лица, когато бяха тествани в късния следобед. Лечението също изглежда подобрява настроението и нивата на енергия. Маккинли, който работи с tDCS от 2007 г., казва, че ефектът от 30-минутна tDCS доза от два милиампера сутрин „продължава през целия ден.“ (За сравнение, съвременните лечения с електроконвулсивна терапия включват до 900 милиампера.) свързано, все още предстоящо публикуване проучване за лишаване от сън AFRL, пациентите се държат будни в продължение на 21 часа, след което им се дава или кофеин, фалшив tDCS или действително tDCS, преди да продължат задълженията си за още 15 часа. Членовете на третата група се похвалиха два пъти с точността при намирането на цели от другите две групи. Те също отчитат по-високи субективни резултати от настроението и казват, че tDCS ги кара да се чувстват освежени.
Протоколът, който Barbey е проектирал, съчетава tDCS, хранене и когнитивни и физически упражнения в цялостен режим с потенциал да подобри всичко - от математическите умения до абстрактните разсъждения. Чрез работата си той изследва природата и структурата на човешкия ум и в процеса задава въпроса какво всъщност означава да бъдеш умен.
**********
Именно работата му с друго поколение служители на службата научи Барби на тънкостите на човешкия мозък. Между 2007 и 2011 г. той беше научен сътрудник в Националните здравни институти, изучавайки група ветерани от Виетнам, претърпели мозъчна травма. Щетите са причинени от шрапнелни рани и рани от куршуми с ниска скорост - тя е била ограничена до отделни области, което означава, че повечето от техните познавателни функции са запазени. Местоположението и размерите на раните им причиняват различни дефицити, включително проблеми с паметта, езика и с по-високи познавателни функции като планиране и решаване на проблеми.
Използвайки процес, наречен картографиране на лезията, Барбей събра диагностични изображения на мозъка на ветераните и след това съпостави увредената анатомия на мъжете с техните документирани проблеми. Резултатът беше мозъчен атлас, който даде възможност да се свържат специфични когнитивни функции с техните основни невронни мрежи.
John McIntire, 33-годишен психолог за инженерни изследвания, доброволци за транскраниална стимулация с постоянен ток във военновъздушната база Райт-Патерсън. (Лин Джонсън) 
Експериментите с tDCS включват прикрепване на електроди към главата и предаване на нисковолтови дози електроенергия, които човешкият субект не може да почувства. (Лин Джонсън) 
McIntire се подготвя за tDCS. (Лин Джонсън) 
Участник в изследването от университета в Илинойс се готви да влезе в машина за ЯМР. Изследователите използват тези данни, за да анализират мозъчната структура и функция на субекти, които получават tDCS. (Лин Джонсън) 
Лечението е предназначено да подобри изпълнението на определена задача. Тук студентите изследователски изследвания използват таблети, за да завършат познавателна програма за обучение като ниско ниво на електрически ток чрез мозъка си. (Лин Джонсън) 
Неврологът Арон Барби се съпротивлява на идеята за зареждащи мозъка станции в молове и летища. Всъщност той предпочита да не спекулира с подобни неща. (Лин Джонсън) 
Барби си прави почивка за медитация. В съответствие с холистичния си подход към мозъка, той отделя време за медитация всеки ден и намира за особено полезно да се справя със стреса, свързан с работата, като навигация в предложенията за безвъзмездни средства. (Лин Джонсън) 
Тери Бран се пристяга за тестове как фитнесът подобрява мозъка. (Лин Джонсън) 
Храненето и когнитивните упражнения също са част от протокола на Барби. (Лин Джонсън) 
Изследователите усъвършенстват проучване за фитнес и мозъка. Членовете на ВВС правят добри теми, защото са физически годни. (Лин Джонсън) 
ВВС се интересуват от експериментите на Барби, тъй като персоналът, потънал в компютърните екрани, може да загуби фокуса и да се умори. (Лин Джонсън) 
Докато събира диагностични изображения от ветерани от Виетнам, претърпели мозъчна травма, Барби намери това преживяване „невероятно задълбочено.“ (Лин Джонсън) Въз основа на това знание, Барби, заедно с различни съавтори, продължи да публикува страхотна серия от документи, идентифициращи мозъчните мрежи за обща интелигентност, емоционална интелигентност, когнитивна гъвкавост, работна памет и други. В това, което може да се счита за неговото майсторско майсторство за картографиране на лезията, публикувано в списанието Brain през април 2012 г., Барби и колегите му амбициозно изложиха архитектура за обща интелигентност и изпълнителна функция - сложни, насочени към целта поведения, които включват широко разпространени части на мозъка, включително префронталната кора. Това проучване, едно от най-големите и най-обширни подобни оценки, проведено до този момент, включва 182 ветерани от Виетнам и стигна до заключението, че разузнаването „отразява способността за ефективно интегриране на вербални, пространствени, двигателни и изпълнителни процеси чрез описан набор от кортикални връзки“. Барби и неговият екип успяха да определят много от тези връзки и да опишат как работят.
Опитът на Барби с ветераните го остави с много повече от впечатляващо CV. „Беше невероятно дълбоко“, казва Барби, който сега е редактор или член на борда в четири списания, включително Frontiers in Neuroscience . „Ние прекарваме цялото това време в разработване на тези теории и разсъждавайки за природата на човешкия ум и наистина работим усилено, за да се опитаме да разберем функцията на тези мозъчни мрежи. И става това много научно, много техническо начинание. Но след като започнете да работите с хора, работещи с пациенти, с ветерани от Виетнам, веднага става ясно, че има този много важен въпрос. И наистина става въпрос за подобряване на качеството на живота на хората и намиране на решения на тези много тежки проблеми, пред които са изправени. "
Влудяващата сложност на самия мозък е най-голямата пречка за справяне с подобни проблеми. Или така ще изглежда. Но тази много сложност също позволява на науката да подобри ефективността на широк спектър от задачи - стига изследователите да знаят към кои мрежи да се насочат. Стимулирането на правилните мрежи, казва Барби, зависи от това да разберем кои от тях са включени в дадена задача и дали ще бъдем в състояние да насочим към тези мрежи в правилната доза и продължителност. „И така, как да разберем дали стимулираме правилните структури?“, Пита той. „Зависи от задачата. Задачата е критична. "
В дългата сянка на всичко, което не знаем за мозъка, tDCS хвърля нова светлина за това как работи. Невроните са медиите за електрическа активност в мозъка, но както Barbey посочва, „има 100 милиарда от тях и те имат много свойства, които ни избягват.“ Изследванията на Barbey се фокусират върху човешкия разум и вземане на решения. Според него интелигентността се появява от взаимодействието между множество мозъчни мрежи, включително централната изпълнителна мрежа, разпределена невронна система (нещо като 3-D паяжина), която е добре известна, че поддържа функции като планиране, решаване на проблеми, преценка и вземане на решение.
В типичен tDCS експеримент, насочен към централната изпълнителна мрежа, Барби подрежда електродите да изпращат тока през челен и париетален лоб, докато неговите субекти изпълняват компютърна задача. В един такъв тест, наречен n-back task, на участниците се показват букви и трябва да си припомнят дали съответстват на букви, които са видели преди.
Барби казва, че електрическият ток повишава възбудимостта на невроните, участващи в задачата, като ги прави по-склонни да изстрелят и укрепват синаптичните връзки между тях. "Невроните, които се стрелят заедно", казва Барби, цитирайки аксиома от легендарния канадски психолог Доналд Хебб. В доклад от септември 2015 г. ученият от AFRL Райън Джанкорд и колегите му съобщават, че 30 минути tDCS при плъхове „предизвикват стабилно подобряване“ на връзките между клетките в хипокампуса, които са критични за ученето и паметта.
При хората, изглежда, tDCS набира допълнителни неврони, които първоначално не са участвали в дадена задача, създавайки това, което Barbey нарича под-мрежи, които подобряват производителността. Но няма нищо по своята същност от увеличаване на възбудимостта на невроните, добавя той. „Ефективен е само при специфични условия, когато доставяте електрически ток в региони, които участват в задачата.“ Това е ключова част от начина, по който той администрира tDCS: Темата трябва активно да използва въпросните части на мозъка. Въпреки че е предпазлив, Барби подчертава, че „основните биофизични механизми не са добре охарактеризирани.“ С други думи, изследователите не са напълно сигурни защо tDCS прави това, което прави.
Някои се усъмниха дали изобщо прави нещо. През януари 2015 г. базираният в Австралия учен Джаред Хорват и двама негови колеги публикуват анализ на повече от 200 tDCS изследвания. Заключението им: „Нашият количествен преглед не подкрепя идеята, че tDCS създава надежден ефект върху познанието при здрави възрастни.“ Документът започна спор, като защитниците на tDCS разпитаха методите на Хорват - той изключи повече от 170 проучвания, чиито резултати нямаха са били копирани от поне една друга лаборатория. Барбей възприема мнението на Хорват и отбелязва, че докато tDCS е разследван широко, ентусиазмът му е „изпреварил механистичните теории” за това как работи. Според него тези пропуски в знанието забавят разработването на по-ефективни протоколи и водят до многообразие от констатации, които не могат да бъдат обяснени, като се поддават на критики като тези на Хорват.
„Хората се опитват да променят съзнанието си още откакто разбраха, че имат съзнание“, казва Джонатан Д. Морено, професор по медицинска етика и здравна политика в Медицинското училище на Перлманския университет в Пенсилвания. Морено казва, че е недоволен от напредъка в областта tDCS досега. "Просто мисля, че все още сме толкова много в гората и ще бъдем дълго", казва той. „Зависи от кого се опитвате да го подобрите и за какво. Никога не можеш да ме накараш да бъда Айнщайн и Айнщайн вероятно не се нуждае от много подобрения. "
Той е по-малко скептичен към терапевтичната употреба на tDCS за възстановяване на някаква степен на нормална функция при хора с определени разстройства. „Терапията изглежда е по-изпълнима от подобряването“, казва той. Множество проучвания през последните години показват, че той има потенциал като ефективно лечение на голяма депресия, посттравматично стресово разстройство и други невропсихични проблеми. Той също така показа обещание за пациенти с Алцхаймер и инсулт по време на задачи за разпознаване на думи и разпознаване на картини. И проучване от 2014 г. установи, че tDCS подобрява изучаването на езици, което предполага потенциала му като лечение за езиковите дефицити, причинени от инсулт. Изследванията на ВВС, несвързани с клиничните разстройства, могат да сочат друга потенциална полза от терапевтичните tDCS: Екипи от изследователи в Германия, Бразилия и САЩ са установили, че две седмици ежедневно tDCS могат да доведат до седмици или дори месеци подобрено изпълнение на много конкретна задача. „Изглежда, че правите трайни промени в нервните връзки в мозъка“, казва Макинли.
42-месечен проект, наречен Insight, може да даде по-конкретни отговори. Лабораторията на Барби стартира програмата през 2014 г. с 12, 7 милиона долара финансиране от Службата на директора на националното разузнаване. Това е едно от най-големите досега проучвания за способността да се разсъждава при нови условия. Заявената цел на правителството е да подобри адаптивните разсъждения и уменията за решаване на проблеми на разузнавателния персонал. Под наблюдението на Барби, 1000 здрави доброволци на възраст между 18 и 44 години (много от тях студенти от Университета на Илинойс) получават дози tDCS, докато изпълняват упражнения за когнитивни тренировки, които тестват тези умения. Но това е само част от протокола: те също преминават физически фитнес тренировки, а диетата и здравословното им хранене се следят.
Упражнението може да изглежда нискотехнологично в сравнение с tDCS. Но Барби е също толкова заинтересован от силата на потта, колкото и от потенциала на електричеството. Той участва в отделен проект, като ВВС се фокусира внимателно върху високоинтензивните интервални тренировки. Упражнението самостоятелно вече се е доказало поне толкова ефективно, колкото tDCS, за повишаване на когнитивните резултати. Въпреки че Барби казва, че окончателното клинично изпитване остава да се направи, повече от 40 години изследвания показват увеличение на обема на сивото вещество сред аеробно пригодените възрастни възрастни, както и 40 процента намален риск от спад на когнитивите сред тези, които спортуват редовно. Пациентите на Алцхаймер, които участват в програми за остри упражнения, имат повишен мозъчен невротрофичен фактор, протеин, който насърчава здравето и растежа на мозъчните клетки.
Според Барби упражнението има особено впечатляващ ефект върху изпълнителните функции. „Ако в момента излязахме навън и бягахме с пълна скорост до края на улицата и след това бягахме с пълна скорост през целия път назад“, казва Барби, „когато седнахме тук, за да продължим разговора си, бъдете по-внимателни, паметта ни би се подобрила, щяхме да имаме по-добри изпълнителни контролни функции и тези ефекти да продължат около 20 до 30 минути. “
Барби също иска да разбере въздействието на храненето върху здравето и познанието на мозъка. „Знаем, че ако искате да бъдете спортист, трябва да ядете конкретни неща и да се занимавате с определени видове физическа активност“, казва той. „Това хранене действа и върху мозъка.“ Темите в неговия проект за ВВС вземат специална добавка, създадена от лабораторията на Барби в сътрудничество с Abbott Nutrition. Формулата е патентована, но Барби казва, че включва съставки за насърчаване на мускулната сила, сърдечно-съдовото здраве и аеробния фитнес, както и здравето на мозъка. „В допълнение към това имаме специфични хранителни профили, за които смятаме, че играят важна роля за подобряване на здравето на мозъка и когнитивните способности“, казва той. Накратко, Барби вярва, че упражненията и храненето могат да осигурят трайни, цялостни ползи, които просто стимулирането на специфични мозъчни мрежи вероятно никога няма да донесе.
Все пак tDCS остава най-екзотичната от интервенциите. Примамливо е да се предположи, че многократните сеанси на лечение могат да повишат общата интелигентност, а не просто да подобрят изпълнението на задачата, която се работи. Но Барби не е намерил доказателства, че tDCS може да направи човек по-умен в борда. „Отговорът изглежда е„ не “, казва той.
Това е една от причините той да предвиди бъдеще, в което хората да използват насочени tDCS заедно с промените в начина на живот: последният ще подобри цялостното им здравословно и психическо представяне, докато първият ще подобри специфичните познавателни способности. Както вижда Барби, наборът от интервенции ще зависи от целите на индивида. Субектът може да иска подобрена работна памет, например, и трябва да подобри включените мозъчни мрежи. „Способността за разработване на персонализирана интервенция зависи от разбирането на основните механизми“, казва Барби. „Ако не разбираме механизмите, със сигурност не можем да постигнем шивашка работа.“
Но Барби знае, че работата му подхранва една алтернативна визия за бъдещето, такава, при която хората във всякакви частни и търговски условия могат рутинно да седнат на сесии за зареждане на мозъка. Той предпочита да не спекулира за подобни неща, но когато се запита дали този модел може да съществува 50 години отсега - един вид LensCrafters за мозъка - той казва: „Ако приемем, че сме на правилния път, ако приемем, че tDCS всъщност може да доведе до стабилни подобрения, тогава да. ”Тогава той бързо се връща към съвременната реалност. „Но ние все още се учим на тези методи и все още провеждаме експерименти, за да оценим тяхната ефективност. Така че все още е рано. И това се случва с комерсиализма. Barbey има мрачен цялостен поглед върху комерсиалната индустрия за обучение на мозъци и не иска хората да затрупват работата му със своите предложения. Милиони потребители на смартфони например са изтеглили игри като Lumosity, които твърдят, че значително подобряват паметта. „Определено има доказателства, които подсказват, че ако играете работеща игра с памет, ще се подобрите в тази игра с работеща памет“, казва той. "По-малко ясно е дали това има някакво друго въздействие." (Скептицизмът на Барби беше засилен през януари, когато Lumosity се съгласи да плати 2 милиона долара за уреждане на федерални такси за измамна реклама, тъй като твърди, че продуктът му може да забави когнитивния спад. Решението за 50 милиона долара беше прекратено защото компанията нямаше пари.)
Барби настоява, че в невронауката няма кратки пътища. Понастоящем са налични поне две търговски устройства tDCS, Halo и Thync, но той е отложен от предположението, че е възможно да станете по-умен, като просто завъртите превключвател или играете игра. „Наистина трябва да поемем по трудния път“, казва той. За Барби мозъкът не изисква нищо по-малко.
