Транскраниальная стимуляция мозга постоянным током
Ученые всех времен проводили различные эксперименты над человеческим мозгом, чтобы добиться временного изменения его работы и открыть недоступные для него в естественном режиме возможности. Для проведения подобных экспериментов, как правило, используются натуральные или синтезированные вещества, которые оказывают влияние на весь мозг.
Ученые имеют в своем распоряжении инструмент, который может оказывать локальное воздействие на отдельные области мозга, усиливая определенные его функции. Название этого инструмента – магнитное или электрическое поле и результаты от его использования иногда удивляют.
В апрельском номере журнала Nature есть описание экспериментов, которые проводил Винсент Кларк, нейробиолог из Университета Нью-Мексико в США. Вывод, сделанный им после проведения исследований, говорил о том, что если транскраниально стимулировать мозг постоянным током (метод tDCS), то человек будет всему обучаться быстрее. Эксперимент заключался в том, что группе добровольцев нужно было играть в компьютерную игру «DARWARS Ambush!», которая разрабатывалась для тренировок военнослужащих, ехавших в Ирак.
Суть игры была в развитии навыка замечать скрытые на фоне маскирующего ландшафта объекты. Правая часть мозга участников эксперимента в течение 30 минут получала электростимуляцию с помощью прикладываемых к голове электродов. Примечателен тот факт, что участники, которые получали стимуляцию током, силой в 2 миллиампера, показывали результаты в два раза лучше, чем те, у которых мощность тока была всего 0,1 мА. Кларк прокомментировал этот результат так, что участники, подверженные более сильному току, обучались быстрее, но они никак не могли объяснить это, ссылаясь на свои внутренние ощущения. Ученный считает метод tDCS инструментом для фактического разделения сознания и обучения. Он выразил свою уверенность в том, что вскоре эта область исследований резко возрастет, при этом наука получит много новой информации, но в то же время, появится много новых вопросов.
В 2000-е годы ученые стали понимать, почему tDCS действует на мозг таким образом. Благодаря постоянному току в ткани мозга создается электрическое поле. Из-за него между сторонами клеточных мембран изменяется разность потенциалов. Стимуляция, называемая «анодной», сопровождается направленностью тока к электроду и приводит к деполяризации нейронов. В результате этих процессов готовность нейронов ответить спайком на сигнал, поступивший от остальных клеток, повышается. Соответственно, обратная стимуляция, называемая «катодной», при которой ток направлен от электрода, сопровождается противоположным эффектом, т.е. разность потенциалов между внутренней и наружной сторонами мембран уменьшается, что снижает возбудимость нейронов. Не так давно нейрофизиологи из технологического института в Калифорнии с помощью поставленных экспериментов доказали, что внеклеточные электрические поля способны изменять характеристики потенциалов действия нервных клеток.
Некоторые фармакологические исследования показали, что под воздействием тока в области синаптических контактов увеличивается количество производимых NMDA-рецепторов. Это позволяет нервной ткани быть более пластичной, на время придавать ей состояние, которое нейронам позволяет перестраивать свои соединения в ответ на стимул извне, например, обучение новому поведению. К примеру, Леонардо Коэн из Национального института неврологических расстройств (Мэриленд, США) в 2009 году сумел показать улучшение способности людей, над которыми проводились испытания, обучаться элементарным упражнениям на координацию с помощью метода tDCS, при этом наблюдаемое улучшение сохранялось в течение трех месяцев после проведения эксперимента.
Стимуляция мозга током способна не только ускорять процессы обучения, но и оказывать влияние на другие психические свойства. К примеру, данный метод рассматривают как будущее «лекарство» от депрессии, посттравматических стрессов, медленного развития речи и психики, прочих расстройств нервной системы. С помощью исследований, проводимых Фелипе Фрейни из Центра неинвазивной стимуляции мозга в Бостоне (США) и Паоло Боджо из Университета Макензи в Сан-Паоло (Бразилия), был открыт еще один интересный эффект tDCS.
Выяснилось, что данный метод стимуляции области, расположенной выше виска, научное название которой дорсолатеральная префронтальная зона, не дает человеку принимать рисковые решения. Для эксперимента студенты играли в простую игру, в которой нужно было нажатием кнопки раздувать изображаемый на экране воздушный шар. Чем сильнее шар надуется, тем больше денег получит игрок, но если шар лопнет – все накопления пропадут.
Студенты, над которыми проводился эксперимент, были более осторожны и рассудительны в своих действиях, чем те, которые не подвергались tDCS. Боджо сделал вывод, что этот метод можно использовать для лечения людей, которые не могут вовремя остановиться в своих действиях.
Проведенные исследования заставили сделать вывод о том, что кратковременное воздействие tDCS заставляет мозг работать более продуктивно. Но при таких интересных результатах исследования, появляется два вопроса: 1) почему такой эффективный режим работы мозга в нормальных условиях не работает, и 2) какой размер потенциала стимуляции в отношении усиления когнитивных человеческих способностей? Пока сложно дать конкретные ответы на эти вопросы, но появляется повод поразмышлять после появления результатов от исследований нейробиолога Алана Снайдера.
Профессор Снайдер является руководителем сиднейского Центра по изучению сознания в Австралии. Он уверен, что каждый человек обладает способностями, которые есть у савантов, т.е. у людей со сверхспособностями. В мозгу обычного человека эти способности есть, но они подавляются высоким уровнем обработки информации, которая организовывает целостное смысловое восприятие. Отличие мозга савантов заключается в том, что они имеют доступ к сырым данным, которые мозг не обработал, и они используют именно то, что содержится в мозгу. К сожалению, открытый доступ к такой информации, как правило, сопровождается аутизмом. Но из правил всегда бывают исключения. Например, Орландо Серел (Orlando Serell) не имел умственных или психических расстройств и у него появилась способность помнить каждый день своей жизни после того, как в 10 лет ему в голову попал бейсбольный мяч.
Высокоуровневая блокировка у обычного человека снимается с помощью применения метода низкочастотной транскраниальной магнитной стимуляции. Снайдер для проведения своих исследований подвергал такой стимуляции переднюю левую височную долю (LATL) своих испытуемых. После таких манипуляций они начинали лучше рисовать, читать и считать. Область LATL принимает участие в семантической обработке, а также в формировании категорий, в то время как магнитные импульсы в некотором смысле похожи на временной подавление этой области. По мнению Снайдера, в результате происходит высвобождение активности правого полушария, поэтому у человека улучшается восприятие потока данных низкого уровня, которые исходят оттуда.
Профессор считает, что поразительные способности перемножения чисел в уме, фотографическая память и поразительные способности к рисованию, которые характерны савантам, являются теми свойствами, которыми обладает мозг любого человека. Все разница в том, что у савантов есть доступ к этим свойствам, а обычные люди не имеют его из-за активности левого полушария. Но, в теории, существует возможность оказать воздействие на мозг и открыть доступ к этим свойствам. Если профессор Снайдер оказался прав, то не далеки те времена, когда в человеческом распоряжении будут когнитивные усилители, которыми они будут пользоваться.
Применение метода магнитной стимуляции tDCS действует, как неинвазивные методы, которые вместе с большим количеством преимуществ имеют и один недостаток. Из-за того, что источник поля находится на поверхности черепа, магнитная стимуляция действует только на неглубокий слой коры, а дальше никакого воздействия не происходит. Стоит отметить, что в мозгу есть структуры, которые располагаются глубоко и воздействие током на них могут привести к потрясающим открытиям в способностях человека. Для исследования этого вопроса, ученые вынуждены глубоко вживлять электроды в мозговую ткань.
Бывали случаи, когда электрод вставляется в мозг, подается напряжение и после этого у человека возникают неожиданные воспоминания. Впервые такой эффект был зафиксирован Уайлдером Пенфилдом в 1950-х. Он проводил лечение пациентов, больных эпилепсией, применяя метод глубокой электростимуляции (Deep Brain Stimulation, DBS). Во время процедуры пациенты находились в сознании и описывали свои ощущения. Во время подачи тока перед их глазами возникали картины из их жизни.
Прошлое в буквальном смысле вторгалось в их настоящее, поскольку они слышали голоса, запахи, звуки. Они видели своих знакомых, родственников, знакомые места, которые могли с точностью описать. При этом они осознавали, что в действительности сейчас лежат на операционном столе в Монреале и параллельно находились в двух мирах. Воспоминания были динамичными. Все действия из прошлого происходили в естественном темпе, как будто заново переживали соматичесий опыт. Очень часто в их воспоминаниях была музыка или песня, которая в их воспоминаниях играла от фразы к фразе, от куплета до припева и они даже подпевали ей. Одну и ту же ситуацию из прошлого можно было вызвать, подавая ток. Интересно, что во время подачи тока во второй раз, нейроны реагировали легче и откликались на меньшее напряжение.
Периодические такие же результаты наблюдаются в ходе проведения подобных экспериментов. Ни для кого не являются секретом причины, из-за которых они могут быть только побочным эффектом исследования, поскольку глубокая стимуляция током нуждается в хирургическом вмешательстве и используется только для лечения.
В одном из журналов Annals of Neurology 2008 года выпуска рассказывалось об одном случае, случившимся с 50-летним мужчиной, которого лечили от ожирения методом DBS. Неожиданно воздействие током вынудило его с яркими эмоциями пережить ситуацию из его жизни, которая произошла 30 лет назад. Он очутился с друзьями в парке.
Среди людей он увидел девушку, которая в то время была его возлюбленной. Люди были одеты в стиле тех времен, все они разговаривали. Воспоминание было окрашено в естественные краски. Интересно, что при повышении напряжения с 3 до 5 вольт, его воспоминания становились более детальными и яркими. Напрашивается вывод, что множество воспоминаний из нашей жизни хранятся глубоко в нейронах, и они скрыты от нашего внимания.
Глубокая стимуляция способна оживить не только наши воспоминания, но и кое-что более важное, а именно человеческое сознание. Стоит отдать должное команде медиков и неврологов, которым удалось в рамках проведенного эксперимента успешно восстановить основные мозговые функции мужчины, который шесть с половиной лет провел в состоянии минимального сознания. В 1999 году на него напали бандиты, которые нанесли ему серьезные повреждения головы. Как следствие, он лишился способности к коммуникации и осознанному направленному поведению.
Дальнейшие томографические исследования показали, что некоторые жизненно важные участки коры головного мозга остались невредимыми, но они не функционировали. Это вызвало интерес у ученых. Они сделали предположение, что в результате травмы был отключен механизм, который активировал кору. Главную роль здесь играет таламус – элемент, через который проходит обработка и интеграция почти всех сигналов, которые в кору мозга посылает спинной, средний мозг, мозжечок и базальные ганглии. Ученые считают, что воздействие током на ядра таламуса приведет к активации целых участков коры. К сожалению, таламус находится очень глубоко в мозгу, поэтому ни один вид неинвазивной техники до него достать не может. Остается только вживить электроды с помощью хирургической операции.
Врачи долго обсуждали возможность операции, поскольку они не имели официального согласия человека на хирургическое вмешательство, но все-таки процедура состоялась. Почти сразу, в течение первых двух дней после операции и начала работы электродов, состояние пациента заметно улучшилось. Он начал долго держать глаза открытыми и отзываться на голоса, поворачивая голову. Но ученые все-таки решили сделать паузу на 50 дней, чтобы убедиться, что улучшение состояния больного не является неизвестным побочным эффектом после операции. Затем, в течение 18 недель таламус подвергали различным видам стимуляции, сочетая разные частоты и продолжительности сеансов, для того, чтобы определить наиболее эффективное воздействие.
Больной фактически ожил. Он начал давать ответы на вопросы, держал предметы в руках и двигал своими конечностями. Он начал глотать еду, хотя до этого на протяжении шести лет он питался с помощью гастрономической трубки. Его мать не могла сдерживать слезы, когда давала интервью прессе. Она восхищалась тем, что ее сын теперь может говорить и смотреть фильмы, может пить из кружки, выражать боль, смеяться и плакать. Тогда был зафиксирован первый случай того, что метод глубокой электростимуляции мозга (DBS) помог пациенту вернуться к нормальной жизни из состояния минимального сознания.
Вышеперечисленные факты подтверждают возможность стимуляции мозга разными методами, путем приближения к мозгу электрического или магнитного полей или внедряя источник тока внутрь мозга. Но стоит отметить и то, что мозг может получать ток не только при подсоединении источника к нему, но и к другой части тела, а именно к языку. Результаты экспериментов показали, что электротактильная стимуляция языка способствует улучшению координации движений, чувства равновесия и владения речью у людей, которые испытывают трудности из-за полученных травм мозга или соответствующих болезней.
Данную область исследует наш соотечественник Юрий Данилов, заведующий Лабораторией тактильной коммуникации и нейрореабилитации в Университете штата Висконсин (США). Он считает, что новая технология даст возможность разработать новые клинические приложения в неинвазивной нейромодуляции для повреждений мозга, заболевания рассеянного склероза, болезни Паркинсона, инсультов, и, к тому же, позволит расширить сенсорные системы человека.
Большинство описанных методов мозговой стимуляции все еще нуждается в определенном специализированном оборудовании и не распространяется дальше, чем медицинские центры и научные лаборатории. Отметим, что сейчас есть серьезные опасения по поводу метода tDCS. Они заключаются в том, что для воспроизведения этого метода достаточно взять пару проводов, резистор и 9-вольтную батарейку. Если обычные люди в домашних условиях начнут использовать этот метод на людях (к примеру, студент перед экзаменом), то это даст людям новые возможности, что, бесспорно, натолкнет на увеличение популярности подобных устройств. Проблема в том, что научные открытия влекут за собой не всегда положительные последствия, а задача людей заключается в умении грамотно разобраться в них.
