Как усилить работу мозга

Человечество давно экспериментирует с разнообразными способами временно изменять работу мозга, чтобы получить возможности, недоступные в естественном режиме. Как правило, эти способы сводятся к употреблению натуральных либо синтезированных веществ, которые, однако, воздействуют сразу на весь мозг. В распоряжении ученых есть инструмент, позволяющий выборочно и локально влиять на отдельные участки, усиливая ту или иную функцию. Этот инструмент — электрическое или магнитное поле, и его применение приводит порой к поразительным результатам.

Апрельский номер журнала Nature рассказывает об экспериментах Винсента Кларка, нейробиолога из Университета Нью-Мексико (США). Кларк обнаружил, что транскраниальная стимуляция мозга постоянным током (transcranial direct-current stimulation, tDCS) повышает способность к обучению. По условиям эксперимента группе добровольцев надлежало играть в компьютерную игру DARWARS Ambush!, разработанную для тренировки военнослужащих, направляемых в Ирак.

Ее суть заключается в выработке умения замечать объекты, скрытые на фоне сложного ландшафта. Посредством электродов, прикладываемых к голове, испытуемые во время игры получали 30-минутную электростимуляцию на правой стороне мозга. Участники, которым подавался ток силой 2 миллиампера, показали результаты в два раза лучшие, нежели те, кто подвергался стимуляции током величиной всего 0,1 мА. «Они обучались быстрее, но у них нет никаких предположений или внутренних ощущений насчет того, почему это происходило», — говорит Кларк. Ученый рассматривает tDCS в качестве способа практически разделить механизмы обучения и сознания. По его словам, данная область исследований «в скором времени испытает взрывной рост и даст нам множество новой информации, в то же время поставив перед новыми вопросами».

В 2000-е годы начало складываться понимание, за счет чего возникает наблюдаемый эффект от tDCS. Постоянный ток создает в ткани мозга электрическое поле, которое изменяет разность потенциалов между сторонами клеточных мембран. Так называемая «анодная» стимуляция, при которой ток направлен к электроду, приводит к деполяризации нейронов, в результате чего повышается их готовность ответить спайком на поступивший сигнал от других клеток. Соответственно, «катодная» стимуляция, при которой ток течет от электрода, вызывает противоположный эффект, увеличивая разность потенциалов между наружной и внутренней сторонами мембран и тем самым снижая возбудимость нейронов. Совсем недавно нейрофизиологам из Калифорнийского технологического института удалось экспериментально показать, что внеклеточные электрические поля действительно изменяют характеристики потенциалов действия нервных клеток.

Согласно фармакологическим исследованиям, в районе синаптических контактов под воздействием электрического тока увеличивается производство NMDA-рецептора. Это усиливает пластичность нервной ткани, временно придавая ей состояние, при котором нейроны склонны перестраивать свои соединения в ответ на внешний стимул, такой как обучение новому поведению. Например, в 2009 г. Леонардо Коэн из Национального института неврологических расстройств (Мэриленд, США) показал, что tDCS улучшила способность испытуемых обучаться простым упражнениям на координацию, причем это улучшение сохранялось спустя три месяца после эксперимента.

Помимо ускорения процессов обучения, стимуляция мозга оказывает влияние на ряд других свойств психики. В частности, эту методику всерьез рассматривают как перспективное средство для лечения депрессий, посттравматических стрессов, задержек речевого и психического развития, других нервных расстройств. В 2007 г. Фелипе Фрейни из Центра неинвазивной стимуляции мозга (Бостон, США) и Паоло Боджо из Университета Маккензи (Сан-Паоло, Бразилия) открыли любопытный эффект tDCS.

Оказалось, что воздействие постоянным током на область, расположенную выше виска, так называемую дорсолатеральную префронтальную зону, приводит к тому, что человек становится менее готовым к принятию рискованных решений. В рамках эксперимента ученые попросили студентов поиграть в незамысловатую игру, где нажатие на клавишу наполняло воздухом изображенный на экране воздушный шар. Чем сильнее получится раздуть шар, тем больше виртуальных денег достается участнику.

В то же время, если шар лопнет, все накопления теряются.

Испытуемые, к которым применялась tDCS, вели себя более осторожно и останавливались раньше тех, кто не подвергался воздействию. По словам Боджо, этот результат можно использовать для лечения разного рода зависимостей, при которых людям не достает «тормозящего контроля» своих поступков.

Эти и ряд других аналогичных экспериментов позволяют заключить, что даже слабого и непродолжительного, как в случае tDCS, воздействия поля на мозг достаточно, чтобы улучшить его работоспособность. Вместе с тем неизбежно возникают по меньшей мере два вопроса: 1) почему более эффективный режим в естественных условиях выключен и 2) насколько велик потенциал стимуляции в плане усиления когнитивных способностей человека. В целом об ответах говорить пока рано, однако эксперименты нейробиолога Аллана Снайдера дают на этот счет определенную пищу для размышлений.

Профессор Снайдер руководит Центром по изучению сознания в Сиднее (Австралия). Он утверждает, что каждый из нас обладает возможностями, которые демонстрируют так называемые саванты, люди с экстраординарными способностями. В нормальном мозгу эти возможности присутствуют, но подавлены высокоуровневой обработкой информации, организующей целостное смысловое восприятие. У савантов же доступ к сырым, необработанным данным не блокирован, и они пользуются непосредственно тем, что содержит мозг. К сожалению, чаще всего такой открытый доступ сопровождается аутизмом, однако бывают исключения. Например, умственно и психически здоровый Орландо Серелл (Orlando Serell) стал помнить подробности каждого дня своей жизни после того, как в возрасте 10 лет ему в голову попал бейсбольный мяч.

У обычного человека высокоуровневую блокировку можно временно снять методом низкочастотной транскраниальной магнитной стимуляции. В экспериментах Снайдера магнитные импульсы направлялись в левую переднюю височную долю (LATL) испытуемых, после чего у них наблюдались заметные улучшения способностей в рисовании, чтении и счете. Зона LATL участвует в семантической обработке и формировании категорий, а магнитное воздействие в чем-то аналогично временному подавлению этой области. В результате, как предполагает Снайдер, высвобождается активность правого полушария, и человек начинает воспринимать поток низкоуровневых данных, идущих оттуда.

Профессор предполагает, что фотографическая память, перемножение чисел в уме, умение хорошо рисовать и прочие способности савантов, — всё это свойства, характерные для любого мозга. За исключением того, что саванты имеют к ним доступ, а у остальных он перекрыт активностью левого полушария. Но гипотетически можно научиться воздействовать на мозг таким образом, чтобы снять искусственное торможение и получить эти удивительные возможности. Если Снайдер прав, нас ожидают времена, когда в распоряжении людей появится когнитивный усилитель и они будут использовать его в своей деятельности.

Применение магнитной стимуляции, как и транскраниальная стимуляция постоянным током (tDCS), представляют собой неинвазивные методы воздействия, которые помимо очевидных достоинств имеют один недостаток. Вследствие того, что источник поля располагается на поверхности черепа, затронутым оказывается лишь небольшой слой коры, дальше которого стимуляция не оказывает никакого влияния. Однако в мозгу существуют структуры, находящиеся достаточно глубоко, и подача электрического тока на них также приводит к удивительным и благотворным для человека результатам. Чтобы добраться до этих структур, ученые используют метод глубокого вживления электродов в ткань мозга.

В отдельных случаях, если в мозг вставить электрод и подать на него напряжение, у человека пробуждаются неожиданные воспоминания. Первым это зафиксировал Уайлдер Пенфилд в 1950-х. Он лечил пациентов от эпилепсии с помощью глубокой электростимуляции (Deep Brain Stimulation, DBS). Во время процедуры люди оставались в сознании и подробно описывали свои ощущения. При подаче тока перед их глазами возникали различные сцены из их жизни. Прошлое буквально врывалось в настоящее: пациенты видели происходящее, слышали голоса, звуки, запахи. Они узнавали своих знакомых, родственников, окружающую обстановку, могли назвать точное место в городе, где «находились» в тот момент. При этом отдавали себе отчет в том, что в реальности лежат на операционном столе в Монреале, одновременно существуя в двух мирах. Воспоминания не были статичны. Они разворачивались с естественной скоростью, словно соматический опыт переживался вновь. Часто вспоминалась музыка — пациенты слышали песню, которая развивалась от фразы к фразе, от припева до куплета так, что они могли подпевать. Один и тот же фрагмент произведения можно было вызвать из памяти, вновь подав ток на электрод. Примечательно, что задействованные нейроны активировались во второй раз легче, откликаясь на меньшее напряжение.

Время от времени исследователи повторяют результаты, описанные Пенфилдом. По понятным причинам они могут быть только побочным эффектом эксперимента, так как глубокая электростимуляция требует хирургической операции и применяется только в лечебных целях. В 2008 г. журнал Annals of Neurology сообщил о случае с 50-летним пациентом, которого пытались лечить от ожирения методом DBS. Внезапно это вызвало у него яркое переживание эпизода 30-летней давности. Он оказался в парке со своими друзьями. Среди людей он также увидел свою девушку того периода жизни. Одежда окружающих соответствовала прошлому времени, люди в парке разговаривали. Воспоминание было цветным. Интересно, что повышение напряжения с 3 до 5 вольт приводило к тому, что сцена становилась более живой и детальной. По всей видимости, огромное количество фрагментов нашей жизни хранится где-то глубоко в нейронах и остается навсегда скрытым от нашего внимания.

Помимо оживления воспоминаний глубокая стимуляция порой способна буквальным образом оживить нечто более важное — сознание человека. Стоит отметить успешный эксперимент целой команды медиков и неврологов, которые сумели восстановить ключевые функции мозга у мужчины, шесть с половиной лет находившегося в состоянии минимального сознания. В результате разбойного нападения в 1999 г. он получил обширные повреждения головы и потерял способность к коммуникации и целенаправленному поведению.

Как позже показали томографические исследования, некоторые важные участки коры остались нетронутыми, но не функционировали. Это обстоятельство заинтересовало ученых. Они предположили, что в результате травм был отключен механизм, активирующий кору. Ключевая роль здесь принадлежит таламусу — структуре, в которой происходит обработка и интеграция практически всех сигналов, идущих в кору большого мозга от спинного, среднего мозга, мозжечка и базальных ганглиев. По мысли медиков, если подвергнуть электростимуляции ядра таламуса, это может привести к пробуждению сохраненных участков коры. Однако таламус находится глубоко в мозгу, поэтому никакая неинвазивная техника до него не достанет. Единственная возможность — внедрить электроды хирургическим путем.

После долгих обсуждений, касающихся в основном этических коллизий, возникших в связи с оперированием человека без его согласия, процедура была исполнена. Практически сразу же, в первые два дня работы электродов, состояние пациента заметно улучшилось. Он стал держать глаза открытыми продолжительное время и отзываться на голоса, поворачивая голову. Ученые, однако, были вынуждены сделать паузу на 50 дней, чтобы удостовериться, что улучшение не является неизвестным эффектом хирургического вмешательства. Затем на протяжении 18 недель таламус стимулировали различными сочетаниями частоты и продолжительности возбуждений, дабы найти наилучший вариант.

Больной фактически вернулся к жизни. Он стал отвечать на вопросы, мог держать в руках предметы и двигать конечностями. Он начал глотать пищу, а ведь до этого шесть лет его кормили через гастрономическую трубку. Его мать в интервью для прессы едва сдерживала слезы: «Теперь мой сын может говорить, есть и смотреть кино. Он может пить из кружки. Он может выражать боль. Он может смеяться и плакать…» Это был первый случай, когда методом глубокой стимуляции мозга (DBS) удалось вытащить пациента из состояния минимального сознания.

Как видно из вышесказанного, стимулировать мозг можно разными способами, приближая к нему электрическое или магнитное поле либо помещая источник непосредственно внутрь головы. Однако стоит упомянуть еще один вариант: мозг получает стимуляцию даже тогда, когда электрический ток подается на другую, правильно выбранную, часть тела. И эта часть тела — язык. Экспериментально показано, что электротактильная стимуляция языка заметно улучшает координацию движений, чувство равновесия и владение речью у людей, испытывающих трудности в результате травм мозга или болезни.

Исследования в данном направлении проводит наш соотечественник Юрий Данилов, возглавляющий Лабораторию тактильной коммуникации и нейрореабилитации в Университете штата Висконсин (США). По его словам, эта технология позволит разработать новые клинические приложения неинвазивной нейромодуляции для травм мозга, рассеянного склероза, инсультов, болезни Паркинсона и, кроме того, расширения возможностей сенсорных систем человека.

Большая часть описанных методов стимуляции мозга всё еще требует специального оборудования и не выходит за пределы медицинских центров и научных лабораторий. В то же время насчет tDCS существуют серьезные опасения: чтобы воспроизвести опыт в домашних условиях, достаточно пары проводов, резистора и обычной 9-вольтовой батарейки. Если такой прокачкой мозга станут пользоваться обычные люди (например, студенты перед экзаменом), это даст им преимущество и, что более существенно, сформирует в обществе условия, подталкивающие граждан к использованию подобных устройств. Научный прогресс, как обычно, несет с собой разнообразные следствия, а задача человека разумного — достойно в них разобраться.

Денис Тулинов

Fox D. (2011) Neuroscience: Brain buzz — Nature

C.A. 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

N. D. Schiff et al (2007) Behavioural improvements with thalamic stimulation after severe traumatic brain injury — Nature