Dva sta třicet pět let poté, co italský vědec Luigi Galvani oznámil, že rozebrané žabí nohy se škubají v reakci na statický náboj aplikovaný na nerv, stále zkoumáme záhady toho, co nazval „zvířecí elektřinou“, zejména v mozku. To, že mozek vytváří trochu své vlastní elektřiny, kterou lze detekovat pomocí elektroencefalogramu nebo EEG, je dobře prokázáno, stejně jako skutečnost, že někteří neurochirurgové dnes někdy používají vlasové tenké elektrody ke stimulaci hlubokých mozkových struktur a zastavení Parkinsonových třesů. Vědci však nyní zkoumají otázku, která je ohromující: Mohou dávky nízkého napětí elektřiny přenášené vlasy, kůží a lebkou přímo do konkrétních oblastí mozku učinit již zdravé lidi ostřejšími a více ostražitými?
Související čtení
Upgradujte mozek: Jak používat tDCS, nootropika a mikroby k revoluci funkce mozku
KoupitAron Barbey, 39letý neurovědec na University of Illinois, je lídrem v tomto výzkumu, i když je neskutečně opatrný ohledně jeho vyhlídek. Odporuje myšlence, že zítřejší centra a letiště budou představovat komerční nabíjecí stanice mozků, aktualizované verze dnešních masážních zastávek, ale pokud tato budoucnost (nebo něco podobného) přijde, jeho práce bude hrát zásadní roli . Barbey je ředitelem Rozhodovací neurologické vědy UI v Beckmanově univerzitním institutu pro pokročilé vědy a technologie a jeho experimenty ukazují, že čas, kdy by studenti, vojáci, vedoucí pracovníci a starší lidé mohli těžit z léčby zvané transkraniální stejnosměrný proud stimulace (tDCS).
V místnosti bez oken na letecké základně Wright-Patterson, poblíž Daytonu v Ohiu, sleduji John McIntire, 33letého civilního dobrovolníka, přijímat tDCS. Sedí u počítače a kliká na sérii malých blikajících světel, obvaz pod gázou zabalený pod bradu a přes hlavu. Obvaz udržuje malou skupinu elektrod na místě na levé horní straně jeho hlavy. Na jeho horní pravé paži je další svazek elektrod. Dráty z malé modré krabičky na stole nesou slabý elektrický náboj, který teče z krabičky k elektrodám na hlavě a dolů, i když jeho mozek k elektrodám na paži. Vědci se domnívají, že proud zasahuje některé klíčové oblasti jeho středního mozku, včetně locus coeruleus, který uvolňuje norepinefrin a je zapojen do pozornosti a bdělosti.
"Cítím se dobře, " říká McIntire na konci 30minutové relace. Zažil nějaké fyzické pocity, když proud prošel jeho mozkem? „Ne, “ říká, „ve skutečnosti nedokážu říct, jestli dostávám léčbu nebo ne.“ Protože je to dvojitě slepá studie, někteří jedinci dostávají simulovaný tDCS, bez proudu. (McIntire má pravou věc.) Vědci tvrdí, že neviděli významné vedlejší účinky, jen některé kožní citlivosti z elektrod. Některé subjekty, které dostávají tDCS, hlásí bolesti hlavy poté, ale také některé z těch, kteří dostávají podvodnou léčbu.
Probíhající studie ve Wright-Patterson je spolupráce mezi skupinou Barbey a Laboratořem leteckých sil (AFRL). Je to jen jeden z mnoha experimentů, které Barbey zahájil s hlavními výzkumnými partnery. "Naším cílem, " říká, "je porozumět nervovým mechanismům, které jsou základem lidské inteligence a rozhodování - jak jsou inteligence a rozhodování implementovány v mozku - a pak pomocí těchto znalostí vyvinout tyto nové intervence."
Není těžké pochopit, proč by se letectvo zajímalo o to, co může Barbey nabídnout. Mnoho z jeho zaměstnanců tráví až 12 hodin denně, šest dní v týdnu, prohlížením obrázků z pozorovacích snímků a zkoušením identifikovat své známky dronů. Výzkumy ukazují, že jejich výkonnost začíná klesat již po 20 minutách služby. "Chybějící cíle v bojových situacích v reálném životě je velký problém, protože by to někomu mohlo stát život, " říká Andy McKinley, neurovědec AFRL. "A myslíme si, že tDCS může být nástrojem, který pomůže analytikům, jakmile začnou unavovat, udržovat jejich výkon."
Přihlaste se k odběru časopisu Smithsonian za pouhých 12 USD
Tento článek je výběrem z květnového čísla časopisu Smithsonian
KoupitDosud byla zjištění slibná. V řadě studií publikovaných od roku 2013 v NeuroImage, Brain Stimulation a dalších časopisech bylo prokázáno, že samotný tDCS snižuje únavu a zlepšuje nebo zachovává výkon. Členové služby, kteří ráno dostali proud, byli při testování v pozdním odpoledni mnohem varovnější a ostražití než kontrolní subjekty. Zdálo se také, že ošetření zlepšilo jejich náladu a úroveň energie. McKinley, který pracuje s tDCS od roku 2007, říká, že účinek 30minutové dávky tDCS dvou miliampérů ráno trvá „celý den“. (Ve srovnání s tím moderní elektrokonvulzivní terapie zahrnuje až 900 miliampérů.) související, dosud nezveřejněná studie o deprivaci spánku AFRL, byli jedinci drženi vzhůru po dobu 21 hodin, poté dostali buď kofein, simulovaný tDCS nebo skutečný tDCS, než pokračovali ve svých povinnostech po dobu dalších 15 hodin. Členové třetí skupiny se chlubili dvojnásobkem přesnosti při hledání cílů dalších dvou skupin. Také uvedli vyšší subjektivní skóre nálady a uvedli, že tDCS je cítí svěží.
Protokol, který Barbey navrhl, kombinuje tDCS, výživu a kognitivní a fyzické cvičení v komplexním režimu s potenciálem pro zlepšení všeho od matematických dovedností po abstraktní uvažování. Svou prací zkoumá povahu a strukturu lidské mysli a přitom se ptá, co to vlastně znamená být chytrý.
**********
Byla to jeho práce s další generací členů služby, která naučila Barbeyho složitosti lidského mozku. V letech 2007 až 2011 působil jako výzkumný pracovník v National Institute of Health a studoval skupinu vietnamských veteránů, kteří utrpěli trauma mozku. Poškození bylo způsobeno šrapnelem a rány po kulkách s nízkou rychlostí - bylo omezeno na diskrétní oblasti, což znamenalo, že většina jejich kognitivních funkcí byla zachována. Umístění a velikost jejich zranění způsobila různé deficity, včetně problémů s pamětí, jazykem a vyššími kognitivními funkcemi, jako je plánování a řešení problémů.
Pomocí procesu zvaného mapování lézí shromáždil Barbey diagnostické obrazy mozků veteránů a poté přizpůsobil poškozenou anatomii mužů jejich zdokumentovaným problémům. Výsledkem byl atlas mozku, který umožnil spojit specifické kognitivní funkce s jejich základními neurálními sítěmi.
John McIntire, 33letý psychologický výzkumný pracovník, se dobrovolně podílí na transkraniální stimulaci stejnosměrným proudem na letecké základně Wright-Patterson. (Lynn Johnson) 
Experimenty tDCS zahrnují připojení elektrod k hlavě a přenos nízkého napětí dávky elektřiny, které člověk nemůže cítit. (Lynn Johnson) 
McIntire se připravuje na tDCS. (Lynn Johnson) 
Účastník výzkumu na University of Illinois se chystá jít do MRI stroje. Vědci používají tato data k analýze struktury mozku a funkce subjektů, které dostávají tDCS. (Lynn Johnson) 
Ošetření je navrženo tak, aby zlepšilo výkon při konkrétním úkolu. Zde studentské výzkumné předměty používají tablety k dokončení kognitivního tréninkového programu jako nízkoúrovňové kurzy elektrického proudu skrz mozek. (Lynn Johnson) 
Neurovědec Aron Barbey odolává myšlence nabití mozků stanicemi v obcích a letištích. Ve skutečnosti raději o takových věcech nespekuluje. (Lynn Johnson) 
Barbey má meditační přestávku. V souladu se svým holistickým přístupem k mozku potřebuje každý den čas na meditaci a je pro něj obzvláště užitečný při řešení stresů souvisejících s prací, jako jsou navigační návrhy grantů. (Lynn Johnson) 
Terry Brann je připoután k testům, jak fitness zlepšuje mozek. (Lynn Johnson) 
Součástí Barbeyho protokolu jsou také výživa a kognitivní cvičení. (Lynn Johnson) 
Vědci upřesňují studii o kondici a mozku. Členové letectva vytvářejí dobré předměty, protože jsou fyzicky fit. (Lynn Johnson) 
Letectvo má zájem o Barbeyovy experimenty, protože personál zabraný do počítačových obrazovek může ztratit pozornost a být unavený. (Lynn Johnson) 
Když sbíral diagnostické obrazy od vietnamských veteránů, kteří utrpěli trauma mozku, Barbey zjistil, že tato zkušenost byla „neuvěřitelně hluboká“ (Lynn Johnson). Na základě těchto znalostí Barbey společně s různými spoluautory publikoval ohromnou řadu dokumentů identifikujících mozkové sítě pro obecnou inteligenci, emoční inteligenci, kognitivní flexibilitu, pracovní paměť a další. V rámci toho, co by se dalo považovat za jeho mistrovské dílo mapování lézí, zveřejněné v časopise Brain v dubnu 2012, Barbey a jeho kolegové ambiciózně stanovili architekturu pro obecnou inteligenci a výkonné funkce - komplexní, cílená chování, která zahrnují široce distribuované části mozku, včetně prefrontální kůry. Tato studie, jedno z největších a nejkomplexnějších hodnocení svého druhu, které bylo dosud provedeno, zahrnovalo 182 vietnamských veteránů a dospělo k závěru, že inteligence „odráží schopnost účinně integrovat verbální, prostorové, motorické a výkonné procesy prostřednictvím ohraničené sady kortikálních spojení“. Barbey a jeho tým byli schopni určit mnoho z těchto spojení a popsat, jak fungují.
Barbeyho zkušenost s veterány ho nechala mnohem víc než působivým životopisem. "Bylo to neuvěřitelně hluboké, " říká Barbey, který nyní pracuje jako redaktor nebo člen představenstva ve čtyřech časopisech, včetně Frontiers in Neuroscience . "Celý ten čas trávíme rozvíjením těchto teorií a přemýšlením o povaze lidské mysli a opravdu tvrdě pracujeme na tom, abychom pochopili funkci těchto mozkových sítí." A stává se tímto velmi vědeckým, velmi technickým podnikem. Jakmile však začnete pracovat s jednotlivci, pracovat s pacienty, s vietnamskými veterány, je okamžitě zřejmé, že v sázce je tento velmi důležitý problém. A opravdu jde o zlepšení kvality života lidí a nalezení řešení těchto velmi těžkých problémů, kterým čelí. “
Šílená složitost samotného mozku je největší překážkou při řešení těchto problémů. Nebo by to vypadalo. Tato složitost však také umožňuje vědě zlepšit výkonnost v celé řadě úkolů - pokud vědci vědí, na které sítě se mají zacílit. Stimulace správných sítí, říká Barbey, závisí na tom, jaké jsou zapojeny do daného úkolu, a na schopnosti zaměřit se na tyto sítě ve správné dávce a době trvání. "Jak tedy víme, jestli stimulujeme správné struktury?" Zeptá se. "Záleží na úkolu." Úkol je kritický. “
V dlouhém stínu všeho, co víme o mozku, tDCS vrhá nové světlo na to, jak to funguje. Neurony jsou médii pro elektrickou aktivitu v mozku, ale jak Barbey zdůrazňuje, „existuje jich jako 100 miliard a mají mnoho vlastností, které nám unikají.“ Barbeyho výzkum se zaměřuje na lidskou inteligenci a rozhodování. Inteligence, říká, vychází z interakce mezi více mozkovými sítěmi, včetně centrální výkonné sítě, distribuovaného nervového systému (druh 3-D pavučiny), o kterém je dobře známo, že podporuje funkce, jako je plánování, řešení problémů, úsudek a rozhodování.
V typickém experimentu tDCS zaměřeném na centrální výkonnou síť uspořádává Barbey elektrody, aby posílaly proud přes čelní a parietální laloky, zatímco jeho subjekty provádějí počítačovou úlohu. V jednom takovém testu nazvaném n-back task se účastníkům zobrazí písmena a musí si vzpomenout, zda odpovídají písmenům, které viděli dříve.
Barbey říká, že elektrický proud zvyšuje excitabilitu neuronů zapojených do úkolu, což zvyšuje jejich pravděpodobnost, že vystřelí a posílí synaptické propojení mezi nimi. "Neuronové, kteří spolu střílejí, se spojí, " říká Barbey a cituje axiom legendárního kanadského psychologa Donalda Hebba. V dokumentu z září 2015 vědec AFRL Ryan Jankord a jeho kolegové uvedli, že 30 minut tDCS u potkanů „vyvolalo robustní posílení“ spojení mezi buňkami v hippocampu, které jsou kritické pro učení a paměť.
U lidí se zdá, že tDCS také najímá další neurony, které nebyly původně zapojeny do úkolu, a vytváří tak to, co Barbey nazývá podsítěmi, které zlepšují výkon. Ale není nic přirozeného prospěchu o zvýšení excitability neuronů, dodává. „Je to účinné pouze za specifických podmínek, kdy dodáváte elektrický proud do regionů, které se podílejí na úkolu.“ Toto je klíčová část způsobu, jakým spravuje tDCS: Subjekt musí aktivně využívat části dotyčného mozku. Barbey však vždy obezřetně zdůrazňuje, že „základní biofyzikální mechanismy nejsou dobře charakterizovány.“ Jinými slovy, vědci si nejsou zcela jisti, proč tDCS dělá to, co dělá.
Někteří se ptali, zda vůbec něco dělá. V lednu 2015 zveřejnil australský vědec Jared Horvath a dva jeho kolegové analýzu více než 200 studií tDCS. Jejich závěr: „Náš kvantitativní přehled nepodporuje myšlenku, že tDCS má spolehlivý účinek na kognitivní schopnost u zdravých dospělých.“ Článek zahájil kontroverzi, přičemž obhájci tDCS zpochybňovali Horvathovy metody - vyloučil více než 170 studií, jejichž výsledky nevedly byla replikována alespoň jednou další laboratoří. Barbey bere Horvathovu poznámku a poznamenává, že ačkoli byl tDCS široce zkoumán, nadšení pro něj „předstihlo mechanistické teorie“, jak to funguje. Tyto mezery ve znalostech, říká, zpožďují vývoj účinnějších protokolů a vedou k rozmanitosti zjištění, které nelze vysvětlit, a půjčují se kritikům, jako je Horvath.
"Lidé se pokoušejí změnit své vědomí od té doby, co si uvědomili, že mají vědomí, " říká Jonathan D. Moreno, profesor lékařské etiky a zdravotnické politiky na Perelmanově lékařské fakultě University of Pennsylvania. Moreno říká, že je dosud ohromen pokrokem v oblasti tDCS. "Jen si myslím, že jsme v tom tolik v lese, a budeme na dlouhou dobu, " říká. "Záleží na tom, koho se snažíte vylepšit a na co." Nikdy jsi mě nemohl přimět, abych byl Einstein a Einstein pravděpodobně nepotřebuje moc vylepšení. “
Je méně skeptický ohledně terapeutického použití tDCS k obnovení určitého stupně normální funkce u lidí s určitými poruchami. "Terapie se zdá být proveditelnější než vylepšení, " říká. Několik studií v posledních letech ukázalo, že má potenciál jako účinná léčba velkých depresí, posttraumatických stresových poruch a dalších neuropsychiatrických problémů. Ukázalo se také, že slibuje pacientům s Alzheimerovou chorobou a cévní mozkovou příhodou při rozpoznávání slov a paměti. Studie z roku 2014 zjistila, že tDCS zlepšilo jazykové vzdělávání, což naznačuje jeho potenciál při léčbě jazykových deficitů způsobených mozkovou mrtvicí. Výzkum letectva, který nesouvisí s klinickými poruchami, může poukazovat na další potenciální přínos terapeutického tDCS: Týmy vědců v Německu, Brazílii a USA zjistily, že dva týdny denního tDCS mohou mít za následek zlepšení výkonnosti týdnů nebo dokonce měsíců velmi specifický úkol. "Vypadá to, že provádíte trvalé změny nervových spojení v mozku, " říká McKinley.
42měsíční projekt s názvem Insight může poskytnout konkrétnější odpovědi. Barbeyova laboratoř zahájila program v roce 2014 s finančními prostředky ve výši 12, 7 milionu USD od Úřadu ředitele národní zpravodajské služby. Je to jedno z největších studií schopnosti uvažovat v nových podmínkách. Vládním cílem je zlepšit dovednosti zpravodajských pracovníků v oblasti adaptačního usuzování a řešení problémů. Pod Barbeyovým dohledem dostává 1 000 zdravých dobrovolníků ve věku 18 až 44 let (z nichž mnozí jsou studenti Illinois University of Illinois) dávky tDCS, zatímco provádí kognitivní tréninková cvičení, která tyto dovednosti testují. Ale to je jen část protokolu: Prochází také tréninkem tělesné zdatnosti a jejich strava a výživa jsou sledovány.
Cvičení se může zdát v porovnání s tDCS nízkou úrovní. Barbey se ale stejně zajímá o sílu potu jako o potenciál elektřiny. Zapojil se do samostatného projektu, kdy se letectvo zaměřilo na intervalový výcvik s vysokou intenzitou. Cvičení samostatně se již ukázalo přinejmenším stejně účinné jako tDCS při zvyšování kognitivního výkonu. Přestože Barbey tvrdí, že definitivní klinické hodnocení musí být provedeno, více než 40 let výzkumu ukazuje nárůst objemu šedé hmoty u aerobicky vhodných starších dospělých a 40% snížení rizika kognitivního poklesu u těch, kteří pravidelně cvičí. Pacienti s Alzheimerovou chorobou, kteří se účastní programů akutního cvičení, mají zvýšený neurotrofický faktor odvozený z mozku, což je protein, který podporuje zdraví a růst mozkových buněk.
Podle Barbey má cvičení obzvláště působivý účinek na výkonné funkce. "Pokud bychom teď měli jít ven a běžet plnou rychlostí až dolů na konec ulice a pak plnou rychlostí až zpět, " říká Barbey, "když jsme se posadili sem a pokračovali v rozhovoru, být více pozorní, naše paměť by se zlepšila, měli bychom lepší výkonné kontrolní funkce a tyto účinky by trvaly asi 20 až 30 minut. “
Barbey chce také porozumět dopadu výživy na zdraví mozku a poznání. "Víme, že pokud chcete být sportovcem, musíte jíst konkrétní věci a zabývat se určitými typy fyzické aktivity, " říká. "Tato výživa funguje také v mozku." Subjekty v rámci projektu Air Force berou speciální doplněk vytvořený Barbeyho laboratoří ve spolupráci s Abbott Nutrition. Vzorec je proprietární, ale Barbey říká, že obsahuje přísady pro podporu svalové síly, kardiovaskulárního zdraví a aerobní zdatnosti, stejně jako zdraví mozku. "Kromě toho máme specifické výživové profily, o nichž předpokládáme, že hrají důležitou roli při zlepšování zdraví mozku a kognitivních schopností, " říká. Stručně řečeno, Barbey věří, že cvičení a výživa mohou přinést trvalé, holistické výhody, které by jen stimulace konkrétních mozkových sítí pravděpodobně nikdy nepřinesly.
Přesto tDCS zůstává nejexotičtější ze zásahů. Je lákavé předpokládat, že více léčebných sezení může zvýšit obecnou inteligenci, namísto pouhého zlepšení výkonu v daném úkolu. Ale Barbey nenašel žádný důkaz, že tDCS může člověka chytřejší napříč deskou. "Zdá se, že odpověď zní ne, " říká.
To je jeden z důvodů, proč si představí budoucnost, kdy lidé budou používat cílené tDCS spolu se změnami životního stylu: druhá z nich zlepší jejich celkové zdraví a duševní výkon, zatímco první z nich zlepší specifické kognitivní schopnosti. Jak vidí Barbey, bude sada intervencí záviset na cílech jednotlivce. Subjekt by například mohl chtít zlepšit pracovní paměť a potřebovat zlepšit zapojené mozkové sítě. "Schopnost vyvinout na míru šitou intervenci závisí na pochopení základních mechanismů, " říká Barbey. "Pokud tomu mechanismu nerozumíme, určitě nemůžeme dosáhnout přizpůsobení."
Barbey však ví, že jeho práce přináší alternativní vizi budoucnosti, kterou mohou lidé ve všech druzích soukromého i komerčního prostředí běžně sedět za účelem nabití mozku. Raději o takových věcech nespekuluje, ale když se přemítá o tom, zda tento model může existovat 50 let - druh LensCrafters pro mozek - říká: „Za předpokladu, že jsme na správné cestě, za předpokladu, že tDCS skutečně může přinést robustní vylepšení, pak ano. “Pak se rychle vrací k současné realitě. "Ale stále se o těchto metodách učíme a stále zkoušíme jejich účinnost." Takže je ještě příliš brzy. A to se stane s komercialismem. Jdou příliš rychle. “Barbey si myslí, že celkový pohled na komerční průmysl v oblasti mozkového tréninku a nechce, aby se jeho nabídka soustředila na jeho práci. Například miliony uživatelů chytrých telefonů si stáhly hry jako Lumosity, které tvrdí, že výrazně zlepšují paměť. "Existují důkazy, které naznačují, že pokud hrajete pracovní paměťovou hru, budete v této pracovní paměťové hře lepší, " říká. "Co je méně jasné, je, zda to má nějaký další dopad." (Barbeyho skepticismus byl posílen v lednu, když Lumosity souhlasil s tím, že zaplatí 2 miliony dolarů za urovnání federálních poplatků za klamnou reklamu za tvrzení, že jeho produkt může zpomalit kognitivní pokles. Rozsudek ve výši 50 milionů $ byl pozastaven protože společnost neměla peníze.)
Barbey trvá na tom, že v oblasti neurovědy neexistují zkratky. V současné době jsou k dispozici nejméně dvě komerční tDCS zařízení, Halo a Thync, ale je odsouzen tím, že je možné být chytřejší pouhým přepnutím spínače nebo hraním hry. "Opravdu musíme jít po tvrdé silnici, " říká. Pro Barbey mozek nevyžaduje nic méně.
