Dvije stotine trideset i pet godina nakon što je talijanski znanstvenik Luigi Galvani izvijestio da rastavljene žablje noge iskaču kao odgovor na statički naboj na živac, još uvijek istražujemo tajne onoga što je nazvao "životinjskom strujom", posebno u mozgu. Da je mozak stvorio djelić vlastitog elektriciteta, što se može otkriti elektroencefalogramom, ili EEG-om, dobro je utvrđeno, kao što govori i činjenica da neki neurokirurzi danas ponekad koriste elektrode tanke dlake kako bi potaknuli duboke moždane strukture i zaustavili Parkinsonov podrhtavanje. Ali znanstvenici sada istražuju pitanje koje je, pa, neumoljivo: Mogu li niskonaponske doze električne energije koje se prenose kroz kosu, kožu i lubanju izravno u određene dijelove mozga učiniti već zdrave ljude oštrijima i budnijima?
Povezana čitanja
Nadogradite svoj mozak: Kako koristiti tDCS, nootropics i mikrobe za revoluciju svoje moždane funkcije
KupitiAron Barbey, 39-godišnji neuroznanstvenica sa Sveučilišta u Illinoisu, lider je u ovom istraživanju, iako je s oprezom oprezan glede njegovih izgleda. Odupire se ideji da će sutrašnje trgovačke centre i zračne luke predstavljati komercijalne stanice za punjenje mozga, ažurirane verzije današnje masaže prestaju, ali ako se ta budućnost (ili nešto slično) ostvari, njegov će rad igrati kritičnu ulogu u tome, Barbey je direktor UI-ovog laboratorija za neuroznanost odluka na sveučilišnom Institutu za naprednu znanost i tehnologiju, a čini se da njegovi eksperimenti ukazuju na vrijeme kada bi studenti, vojnici, rukovoditelji i stariji ljudi mogli imati koristi od tretmana koji se zove transkranijalna istosmjerna struja stimulacija (tDCS).
U sobi bez prozora zrakoplovne baze Wright-Patterson, u blizini Daytona, Ohio, gledam 33-godišnjeg civilnog dragovoljca Johna McIntirea koji prima tDCS. On sjedi za računalom i klikne na seriju sitnih treptavih svjetala, zavoj od gaze omotan ispod brade i preko vrha glave. Zavoj drži mali skup elektroda na mjestu na gornjoj lijevoj strani glave. Na njegovoj gornjoj desnoj ruci postoji još jedan skup elektroda. Žice iz malene plave kutije na stolu nose slab električni naboj koji struji od kutije do elektroda na glavi i dolje iako mu mozak do elektroda na ruci. Istraživači vjeruju da struja pogađa neka ključna područja njegovog srednjeg mozga, uključujući locus coeruleus, koji oslobađa norepinefrin i uključen je u pažnju i budnost.
"Dobro se osjećam", kaže McIntire na kraju 30-minutne sesije. Je li doživio bilo kakve fizičke senzacije dok mu je struja prolazila kroz mozak? "Ne", kaže on, "zapravo ne mogu reći primam li tretman ili ne." Budući da je dvostruko slijepa studija, neki ispitanici dobivaju lažni tDCS, bez struje. (McIntire je shvatio pravu stvar.) Istraživači kažu da nisu vidjeli značajne nuspojave, već samo neke osjetljivosti kože s elektroda. Neki subjekti koji primaju tDCS prijavljuju glavobolju nakon toga, ali isto tako neki od onih koji primaju lažno liječenje.
Studija koja je u tijeku u Wright-Pattersonu je suradnja između Barbeyjeve grupe i Laboratorija za istraživanje zračnih snaga (AFRL). To je samo jedan od mnogih eksperimenata koje je Barbey pokrenula s glavnim istraživačkim partnerima. "Naš je cilj", kaže on, "razumjeti neuronske mehanizme koji stoje na temelju ljudske inteligencije i odlučivanja - kako se inteligencija i odlučivanje implementiraju u mozak", te zatim koristiti to znanje za razvoj ovih novih intervencija. "
Nije teško razumjeti zašto bi zrakoplovne snage bile zainteresirane za ono što Barbey može ponuditi. Mnogi od osoblja provode do 12 sati dnevno, šest dana u tjednu, gledajući slike nadzornih snimaka i pokušavajući prepoznati njihove tragove drona. Istraživanja pokazuju da im rad počinje padati nakon samo 20 minuta dežurstva. "Propuštanje ciljeva u stvarnim situacijama bitka je velika stvar, jer bi to nekome moglo koštati života", kaže Andy McKinley, neuroznanstvenica AFRL. "I mislimo da bi tDCS mogao biti alat koji će pomoći analitičarima da se počnu zamoriti u održavanju svojih performansi."
Pretplatite se na časopis Smithsonian već sada za samo 12 dolara
Ovaj je članak izbor iz majskog broja časopisa Smithsonian
KupitiDo sada su nalazi obećavajući. U nizu studija objavljenih od 2013. u časopisima NeuroImage, Brain Stimulacija i drugim časopisima, pokazano je da samo tDCS smanjuje umor i poboljšava ili čuva radnu snagu. Pripadnici službe koji su ujutro primali struju bili su mnogo budniji i budni od kontrolnih ispitanika kada su testirani u kasno popodne. Čini se da tretman poboljšava njihovo raspoloženje i razinu energije. McKinley, koji surađuje s tDCS-om od 2007., kaže da učinak 30-minutne doze tDCS-a od dva miliampera ujutro "traje cijeli dan." (Za usporedbu, moderni tretmani elektrokonvulzivne terapije uključuju do 900 miliampera.) srodne studije o AFRL-u uskraćivanja spavanja, koju tek treba objaviti, ispitanici su držani budni 21 sat, nakon čega su im davali ili kofein, lažni tDCS ili stvarni tDCS, prije nego što su nastavili s dužnostima do još 15 sati. Pripadnici treće skupine pohvalili su se dvostruko precizno u pronalaženju ciljeva druge dvije skupine. Također su izvijestili o višim rezultatima subjektivnog raspoloženja i kažu da su ih zbog tDCS osvježili.
Protokol koji je Barbey dizajnirala kombinira tDCS, prehranu te kognitivne i tjelesne vježbe u sveobuhvatnom režimu s potencijalom za poboljšanje svega, od matematičkih vještina do apstraktnog razmišljanja. Svojim radom istražuje prirodu i strukturu ljudskog uma, te u tom trenutku postavlja pitanje šta zapravo znači biti pametan.
**********
Njegov rad s drugom generacijom članova službe naučio je Barbeyja detaljima ljudskog mozga. Između 2007. i 2011. godine, bio je znanstveni novak u Nacionalnom institutu za zdravstvo, proučavajući skupinu veteranskih veterana koji su pretrpjeli traumu mozga. Štete su uzrokovale šrapnele i rane od metaka male brzine - bila je ograničena na diskretna područja, što znači da je većina njihovih kognitivnih funkcija sačuvana. Lokacije i veličine njihovih rana uzrokovali su različite nedostatke, uključujući probleme s pamćenjem, jezikom i višim kognitivnim funkcijama poput planiranja i rješavanja problema.
Koristeći postupak nazvan mapiranje lezija, Barbey je prikupio dijagnostičke slike veterana mozga, a zatim je uskladio anatomiju oštećenih muškaraca sa njihovim dokumentovanim problemima. Rezultat je bio atlas mozga koji je omogućio povezivanje specifičnih kognitivnih funkcija sa njihovim neuronskim mrežama.
John McIntire, 33-godišnji psiholog inženjerskog istraživanja, volontira za transkranijalnu stimulaciju izravne struje u zrakoplovnoj bazi Wright-Patterson. (Lynn Johnson) 
Pokusi tDCS uključuju pričvršćivanje elektroda na glavu i odašiljanje niskonaponskih doza električne energije koje ljudski subjekt ne može osjetiti. (Lynn Johnson) 
McIntire priprema za tDCS. (Lynn Johnson) 
Sudionik istraživanja na Sveučilištu Illinois sprema se uključiti se u MRI aparat. Istraživači koriste ove podatke za analizu moždane strukture i funkcije ispitanika koji primaju tDCS. (Lynn Johnson) 
Tretman je osmišljen kako bi poboljšao rad na određenom zadatku. Ovdje studenti koji ispituju studente koriste tablete za dovršavanje kognitivnog programa treninga kao mozak električne struje niske razine kroz svoj mozak. (Lynn Johnson) 
Neuroznanstvenik Aron Barbey odupire se ideji o stanicama za punjenje mozga u trgovačkim centrima i zračnim lukama. U stvari, radije ne bi spekulirao o takvim stvarima. (Lynn Johnson) 
Barbey pravi pauzu za meditaciju. U skladu sa svojim holističkim pristupom mozgu, svaki dan treba vremena za meditaciju i posebno je korisno za rješavanje problema stresa koji se odnose na posao, poput navigacije u prijedlozima grantova. (Lynn Johnson) 
Terry Brann se veže na testove kako kondicija poboljšava mozak. (Lynn Johnson) 
Prehrana i kognitivne vježbe također su dio Barbeyjevog protokola. (Lynn Johnson) 
Istraživači pročišćavaju studiju o fitnessu i mozgu. Pripadnici zračnih snaga čine dobre predmete jer su u fizičkoj formi. (Lynn Johnson) 
Zrakoplovstvo je zainteresirano za Barbeyeve eksperimente, jer osoblje zaokupljeno računalnim ekranima može izgubiti fokus i zamoriti se. (Lynn Johnson) 
Dok je skupljao dijagnostičke slike od vijetnamskih veterana koji su pretrpjeli traumu mozga, Barbey je to iskustvo smatrao „nevjerojatno dubokim.“ (Lynn Johnson) Nastavljajući na tom znanju, Barbey je s raznim koautorima objavio objavljivanje sjajnog niza radova koji identificiraju moždane mreže za opću inteligenciju, emocionalnu inteligenciju, kognitivnu fleksibilnost, radnu memoriju i još mnogo toga. U ono što bi se moglo smatrati njegovim majstorskim radom na kartiranju lezija, objavljenom u časopisu Brain u travnju 2012., Barbey i njegovi kolege ambiciozno su postavili arhitekturu za opću inteligenciju i izvršnu funkciju - složena, ciljno usmjerena ponašanja koja uključuju široko raspoređene dijelove mozga, uključujući prefrontalni korteks. Ta je studija, jedna od najvećih i najopsežnijih procjena takve vrste koja je provedena do danas, uključivala 182 vijetnamska veterana i zaključila da inteligencija „odražava sposobnost učinkovitog integriranja verbalnih, prostornih, motornih i izvršnih procesa putem ograničenog skupa kortikalnih veza.“ Barbey i njegov tim uspjeli su utvrditi mnoge od tih veza i opisati kako rade.
Barbeyjevo iskustvo s veteranima ostavilo mu je mnogo više od impresivnog životopisa. „Bilo je nevjerojatno duboko“, kaže Barbey, koja danas radi kao urednik ili član odbora u četiri časopisa, uključujući Frontiers in Neuroscience . „Provodimo čitavo ovo vrijeme razvijajući ove teorije i razmišljajući o prirodi ljudskog uma i stvarno naporno radimo da bismo pokušali razumjeti funkciju ovih moždanih mreža. I to postaje ovo vrlo znanstveno, vrlo tehničko poduzeće. Ali tada, kad počnete raditi s pojedincima, raditi s pacijentima, s veteranskim veteranima, odmah postaje jasno da je tu vrlo važno pitanje. A zapravo se radi o poboljšanju kvalitete života ljudi i pronalaženju rješenja za ove vrlo teške probleme s kojima se suočavaju. "
Ludačka složenost samog mozga najveća je prepreka rješavanju takvih problema. Ili bi se tako činilo. Ali ta vrlo složenost također omogućava znanosti da poboljša performanse u širokom rasponu zadataka - sve dok istraživači znaju na koje će mreže ciljati. Stimuliranje ispravnih mreža, kaže Barbey, ovisi o tome znate koje su uključene u određeni zadatak i hoćete li moći ciljati te mreže u točnoj dozi i trajanju. "Pa kako možemo znati potičemo li prave strukture?", Pita on. "Ovisi o zadatku. Zadatak je presudan. "
U dugoj sjeni svega što o mozgu ne znamo, tDCS osvjetljava kako to funkcionira. Neuroni su medij za električne aktivnosti u mozgu, ali kako Barbey ističe, „ima ih oko 100 milijardi i imaju mnoga svojstva koja nam izmiču.“ Barbeyjeva istraživanja fokusirana su na ljudsku inteligenciju i odlučivanje. Inteligencija, kaže, proizlazi iz interakcije između više moždanih mreža, uključujući središnju izvršnu mrežu, raspodijeljeni neuronski sustav (svojevrsni trodimenzionalni pauk) za koji se dobro zna da podržava funkcije poput planiranja, rješavanja problema, prosuđivanja i odlučivanje.
U tipičnom tDCS eksperimentu usmjerenom na središnju izvršnu mrežu, Barbey dogovara elektrode za slanje struje kroz frontalni i parietalni režanj dok njegovi subjekti obavljaju zadaću utemeljenu na računalu. U jednom takvom testu, nazvanom n-back zadatak, sudionicima se pokazuju slova i moraju se prisjetiti podudaraju li slova koja su prethodno vidjeli.
Barbey kaže da električna struja povećava ekscitabilnost neurona koji su uključeni u zadatak, povećavajući im vjerojatnost da će pucati i jačati sinaptičke veze između njih. "Neuroni koji zajedno pucaju", kaže Barbey, citirajući aksiom legendarnog kanadskog psihologa Donalda Hebba. U radu iz rujna 2015., znanstvenik za AFRL, Ryan Jankord i njegovi kolege izvijestili su da je 30 minuta tDCS-a kod štakora "induciralo snažno poboljšanje" veza između stanica u hipokampusu koje su ključne za učenje i pamćenje.
Kod ljudi, čini se i da tDCS regrutuje dodatne neurone koji izvorno nisu bili uključeni u neki zadatak, stvarajući ono što Barbey naziva podmrežama i poboljšavaju performanse. No, ništa ne bi bilo korisno u povećanju ekscitabilnosti neurona, dodaje. „Učinkovit je samo u specifičnim uvjetima, gdje isporučujete električnu struju u područja koja su uključena u zadatak.“ Ovo je ključni dio načina na koji on upravlja tDCS-om: Subjekt mora aktivno koristiti dijelove mozga o kojima je riječ. Ipak, uvijek oprezan, Barbey naglašava da "temeljni biofizički mehanizmi nisu dobro okarakterizirani." Drugim riječima, istraživači nisu sasvim sigurni zašto tDCS radi ono što radi.
Neki su se pitali radi li to uopće. U siječnju 2015. australski znanstvenik Jared Horvath i dvojica njegovih kolega objavili su analizu više od 200 tDCS studija. Njihov zaključak: „Naš kvantitativni pregled ne podupire ideju da tDCS stvara pouzdan učinak na kogniciju kod zdravih odraslih osoba.“ Dokument je pokrenuo polemiku, a branitelji tDCS ispitivali su Horvathove metode - isključio je više od 170 studija čiji rezultati nisu imali replicirao je najmanje jedan drugi laboratorij. Barbey zauzima Horvathovo stajalište i napominje da je, iako se tDCS široko istraživao, entuzijazam za to „nadmašio mehaničke teorije“ kako on funkcionira. Ti nedostaci u znanju, kaže on, odgađaju razvoj učinkovitijih protokola i daju raznolikost nalaza koji se ne mogu objasniti, podvrgavajući se kritikama poput Horvath-ove.
"Ljudi pokušavaju promijeniti svoju svijest otkad su shvatili da imaju svijest", kaže Jonathan D. Moreno, profesor medicinske etike i zdravstvene politike na Medicinskom fakultetu Perelman na Sveučilištu Pennsylvania. Moreno kaže da je pod utjecajem dosadašnjeg napretka u polju tDCS. "Samo mislim da smo još uvijek toliko u šumi, a bit ćemo još dugo", kaže on. "Ovisi o tome koga pokušavate poboljšati i zbog čega. Nikada me ne biste mogli naterati da budem Einstein i Einsteinu vjerojatno ne treba puno poboljšanja. "
Manje je skeptičan prema terapijskoj primjeni tDCS-a za vraćanje određenog stupnja normalne funkcije kod ljudi s određenim poremećajima. "Čini se da je terapija više izvediva od poboljšanja", kaže on. Nekoliko studija posljednjih godina pokazalo je da ima potencijal kao učinkovit tretman za veliku depresiju, posttraumatski stresni poremećaj i druge neuropsihijatrijske probleme. Također je pokazao obećanje za bolesnike koji boluju od Alzheimerove bolesti i moždanog udara tijekom zadataka pamćenja riječi i slike. I istraživanje iz 2014. pokazalo je da tDCS poboljšava učenje jezika, što sugerira njegov potencijal kao liječenje jezičnog deficita uzrokovanog moždanim udarom. Istraživanja zračnih snaga, koja nisu povezana s kliničkim poremećajima, mogu ukazati na još jednu potencijalnu korist terapijskog tDCS-a: Timovi istraživača u Njemačkoj, Brazilu i SAD-u otkrili su da dva tjedna tDCS-a dnevno mogu rezultirati tjednima ili čak mjesecima poboljšanog učinka na vrlo specifičan zadatak. "Izgleda da unosite trajne promjene u neuronskim vezama u mozgu", kaže McKinley.
42-mjesečni projekt nazvan Insight mogao bi pružiti konkretnije odgovore. Barbeyjev laboratorij pokrenuo je program 2014. godine, financirajući 12, 7 milijuna dolara od Ureda ravnatelja Nacionalne obavještajne službe. To je jedna od najvećih studija ikada o sposobnosti rasuđivanja u novim uvjetima. Izjava vlade, cilj je poboljšati vještine prilagođavanja i rješavanja problema obavještajnog osoblja. Pod Barbeyjevim nadzorom, 1000 zdravih dobrovoljaca u dobi između 18 i 44 godine (od kojih su mnogi studenti sa Sveučilišta Illinois) primaju doze tDCS-a tijekom izvođenja kognitivnih vježbi koje testiraju te sposobnosti. Ali to je samo dio protokola: Oni također prolaze treninge s fizičkom kondicijom, a nadziraju se njihova prehrana i prehrambeno zdravlje.
Vježba se može činiti niskom tehnologijom u usporedbi s tDCS-om. Ali Barbey je jednako zainteresirana za snagu znoja koliko i potencijal električne energije. Sudjelovao je u zasebnom projektu, a zrakoplovne snage su se posebno usredotočile na intervalne treninge visokog intenziteta. Vježba sama se već pokazala barem jednako učinkovitom kao i tDCS u poboljšanju kognitivnih performansi. Iako Barbey kaže da definitivno kliničko ispitivanje još uvijek treba uraditi, više od 40 godina istraživanja pokazuje povećanje volumena sive tvari kod starijih odraslih osoba aerobno prikladnih, kao i 40 posto smanjenog rizika od pada kognitivnog sustava kod onih koji redovito vježbaju. Alzheimerovi pacijenti koji sudjeluju u akutnim programima vježbanja imaju povišen neurotrofni faktor koji potiče iz mozga, protein koji promiče zdravlje i rast moždanih stanica.
Prema Barbeyju, vježbanje ima posebno impresivan učinak na izvršne funkcije. "Kad bismo sada izašli napolje i istrčali punom brzinom sve do kraja ulice, a zatim trčali punom brzinom sve do kraja", kaže Barbey, "kada bismo sjeli ovdje da nastavimo razgovor, budite pažljiviji, poboljšalo bi se naše pamćenje, imali bismo bolje upravljačke funkcije, a ti bi efekti trajali oko 20 do 30 minuta. "
Barbey također želi razumjeti utjecaj prehrane na zdravlje i spoznaju mozga. "Znamo da ako želite biti sportaš, morate jesti određene stvari i baviti se određenim fizičkim aktivnostima", kaže on. „Ta prehrana djeluje i na mozak.“ Subjekti u njegovom projektu Air Force uzimaju poseban dodatak koji je kreirao Barbeyjev laboratorij u suradnji s Abbott Nutrition. Formula je vlasnička, ali Barbey kaže da uključuje sastojke za promicanje snage mišića, kardiovaskularnog zdravlja i aerobne kondicije, kao i zdravlja mozga. "Pored toga, imamo specifične prehrambene profile za koje pretpostavljamo da imaju važnu ulogu u poboljšanju zdravlja mozga i kognitivnih sposobnosti", kaže on. Ukratko, Barbey vjeruje da tjelovježba i prehrana mogu pružiti trajne, cjelovite koristi koje samo poticanje specifičnih moždanih mreža vjerojatno nikada neće donijeti.
Ipak, tDCS ostaje najegzotičnija intervencija. Primamljivo je pretpostaviti da bi više sesija liječenja moglo povećati opću inteligenciju, a ne samo poboljšati rad obavljenog zadatka. Ali Barbey nije pronašao nikakve dokaze da tDCS može učiniti čovjeka pametnijim. "Čini se da odgovor nije", kaže on.
To je jedan od razloga što on predviđa budućnost u kojoj će ljudi koristiti ciljani tDCS zajedno s promjenama životnog stila: potonji će poboljšati njihovo cjelokupno zdravstveno i mentalno djelovanje, dok će prvi poboljšati specifične kognitivne sposobnosti. Kao što Barbey to vidi, paket intervencija ovisit će o ciljevima pojedinca. Subjekt će možda željeti, primjerice, poboljšanu radnu memoriju i trebati poboljšati moždane mreže. "Sposobnost za razvijanje prilagođene intervencije ovisi o razumijevanju temeljnih mehanizama", kaže Barbey. "Ako ne razumijemo mehanizme, sigurno ne možemo postići krojenje."
Ali Barbey zna da njegov rad hrani alternativnu viziju budućnosti, onu u kojoj ljudi u svim vrstama privatnih i komercijalnih okruženja mogu rutinski sjesti za sesije za punjenje mozga. Radije ne bi spekulirao o takvim stvarima, ali kad mu se postavi pitanje može li ovaj model postojati 50 godina od danas - neka vrsta LensCraftersa za mozak - kaže, „Pod pretpostavkom da smo na pravom putu, pretpostavljajući da tDCS zapravo mogu proizvesti snažna poboljšanja, onda da. "Zatim se brzo vraća u današnju stvarnost. "Ali još uvijek učimo na ove metode i još uvijek provodimo eksperimente za procjenu njihove učinkovitosti. Dakle, još je prerano. I to se događa s komercijalizmom. Prebrzo idu. "Barbey se slabo drži općeg pogleda na komercijalnu industriju treninga mozga i ne želi da ljudi bave njegovim radom svojom ponudom. Na primjer, milijuni korisnika pametnih telefona preuzeli su igre poput Lumosity, za koje se tvrdi da značajno poboljšavaju memoriju. "Postoje definitivni dokazi koji ukazuju na to da ako igrate radnu memoriju, bit ćete bolji u toj radnoj memoriji", kaže on. "Ono što je manje jasno je da li to ima ikakvog drugog utjecaja." (Barbeyjev skepticizam pojačan je u siječnju, kada je Lumosity pristao platiti dva milijuna dolara za podmirivanje saveznih optužbi za lažno oglašavanje zbog tvrdnji da njegov proizvod može usporiti kognitivni pad. Presuda od 50 milijuna dolara suspendirana je jer tvrtka nije imala novca.)
Barbey inzistira na tome da u neuroznanosti nema prečaca. Najmanje dva komercijalna tDCS uređaja, Halo i Thync, trenutno su dostupni, ali on je odustao od prijedloga da je moguće postati pametnijim samo prebacivanjem prekidača ili igranjem igre. "Moramo zaista ići na težak put", kaže on. Za Barbey mozak ne zahtijeva ništa manje.
