Электростимуляция мозга: научные исследования вдохновляют биохакеров
За последние несколько лет научные исследования электростимуляции мозга (tDCS) продемонстрировали, что она может улучшать многие когнитивные функции здоровых людей: концентрацию внимания, математические способности, скорость реакции. В сумме в исследованиях tDCS приняло участие уже более 10 000 здоровых добровольцев.
Вслед за учеными технологией начали интересоваться и биохакеры — люди, желающие испытать результаты научных исследований на себе. В США уже сложилось целое комьюнити, использующее электричество для того, чтобы «прокачать» свой мозг. Кроме того, tDCS начинают использовать спортсмены, рассчитывая, что она может стать новым и трудно детектируемым допингом.
Научные исследования
Коротко о главном. TDCS — транскраниальная стимуляция постоянным током — пришла из медицинских исследований, где используется при восстановлении после инсульта, для лечения депрессии, мигрени и нейродегенеративных болезней. На данный момент в мире проходит не менее 224 клинических испытаний этой технологии. Однако в 2000х годах стали появляться исследования, демонстрирующие, что tDCS может улучшать когнитивные и моторные функции и у здоровых людей. С этого времени статей вышло уже великое множество, некоторые из которых описывались и на geektimes. Однако, даже за последний год копилка пополнилась несколькими особенно интересными работами:
№1 Ускорить обучение математике и улучшить память
В 2016 году группа ученых из Гарварда, Оксфорда и Тюбингенского университета обнаружила, что tDCS ускоряет обучение и улучшает вербальную память более чем на 20%, причем эффект был долгосрочным и сохранялся на протяжении 2х месяцев.
В эксперименте приняло участие 20 здоровых добровольцев, которым проводили электростимуляцию дорсолатеральной префронтальной коры (DLPFC) — зоны мозга, ответственной за обучение (в том числе — математическое). В эксперименте была и контрольная группа людей, у которых tDCS имитировали, чтобы исключить эффект плацебо.
Электростимуляцию проводили током силой 1 миллиампер по 30 минут в день 2 дня подряд. А во время процедуры все участники эксперимента решали математические задания. Оказалось, что через 2 дня после начала эксперимента испытуемые стали решать задания с меньшим числом ошибок и на 9% быстрее, по сравнению с контрольной группой. Кроме того, их вербальная рабочая память улучшилась на четверть!
Чтобы оценить долговременные эффекты стимуляции, через 2 месяца после завершения эксперимента ученые снова провели тестирования. Оказалось, что те, кто проходил tDCS, по-прежнему, демонстрировали гораздо более высокие результаты. И, что особенно интересно, они решали задания даже быстрее, чем непосредственно после tDCS. (После стимуляции — скорость решения была на 9% больше, чем у контрольной группы, а через 2 месяца — на 20% больше).
№2 Меньше спать
В том же 2016 году группа немецких ученых под руководством Майкла Ницше и Кристофа Ниссена продемонстрировала, что при помощи tDCS можно сокращать время сна. Причем это не сопровождается ни снижением качества сна, ни — усталостью и сонливостью после пробуждения.
В 5-дневном эксперименте приняли участие 19 здоровых людей, у каждого из которых перед сном проводили электростимуляцию. Воздействие осуществлялось на нейроны коры, входящие в состав кортико-таламического пути регуляции сна и бодрствования. Оказалось, что tDCS сократила время сна в среднем на 25 минут (по сравнению с тем, сколько они же спали при имитации tDCS) и сопровождалась долгосрочным увеличением активности коры головного мозга.
Что важно, качество и структура сна (соотношение фаз) из-за электростимуляции никак не изменилась, и наутро после процедуры люди чувствовали себя не хуже, чем обычно.
№3 Увеличить концентрацию внимания
А в 2015 году было проведено исследование, демонстрирующее, что tDCS позволяет улучшать концентрацию внимания.
Во время теста на внимательность испытуемые сидели перед экраном, на котором появлялось 5 стрелочек, расположенных одна над другой. Иногда все стрелочки были направлены в одну сторону, а иногда — центральная стрелочка имела противоположное направление.
Испытуемые за несколько сотен миллисекунд должны были определить, в какую сторону направлена центральная стрелочка, и нажать соответствующую клавишу. В некоторых заданиях появлялся еще и отвлекающий сигнал в разных областях экрана.
Оказалось, что после электростимуляции теменной коры, добровольцы давали ответ быстрее (в задании на пространственное внимание), чем до tDCS. В эксперименте была и контрольная группа людей, у которых tDCS имитировали. Однако после «фальшивой» стимуляции скорость выполнения задания не изменилась.
Электрический допинг?
В 2016 году в журнале Nature появилась статья о том, что tDCS улучшает выносливость, силу мышц и координацию движений у спортсменов.
Такое исследование провели калифорнийские разработчики из «Halo Neuroscience» в коллаборации с Ассоциацией лыжного спорта и сноуборда США. В эксперименте участвовали 7 профессиональных спортсменов, занимающихся прыжками на лыжах с трамплина. Некоторые из них даже входили в Олимпийскую сборную США.
Спортсменов разделили на 2 группы: у 4х людей проводили электростимуляцию, а у 3х — имитировали. Эксперимент длился 2 недели, в течение которых спортсмены тренировались выполнять прыжки. И, как сообщила компания Halo, электростимуляция на 70% (!) улучшила силу прыжка и на 80% — координацию движений, по сравнению с контрольной группой.
Другое исследование tDCS в 2016 году провели ученые из Кентского Университета. Они обнаружили, что электростимуляция моторной коры подавляет чувство усталости у спортсменов и увеличивает выносливость. В исследовании участвовали 12 человек, которые также были разделены на 2 группы: одни получали нейростимуляцию, а другие — только думали, что получают. Участники, которые были подвержены tDCS, готовы были крутить педали в среднем на две минуты дольше и при этом чувствовали себя менее изнуренными.
Все это пока только предварительные данные, полученные на очень маленьких выборках людей, однако результаты впечатляют. Многие компании уже берут их на вооружение, начиная разрабатывать устройства для улучшения подготовки спортсменов.
Как это работает? Механизм действия
Основным эффектом tDCS на нервную ткань считается способность вызывать «долговременную потенциацию» (LTP) и «долговременную депрессию синапсов» (LTD) — процессы, лежащие в основе формирования памяти и обучения. LTP — это перестройка контактов между нейронами, приводящая к усилению синаптической передачи. А LTD, наоборот, приводит к снижению силы синапсов.
Сейчас ученые выделяют несколько механизмов, посредством которых tDCS может влиять на LTP и LTD, самым изученным из которых является изменение мембранного потенциала нейронов. Положительно заряженный электрод («анод») уменьшает разницу потенциалов на мембранах нервных клеток, что приводит к увеличению их возбудимости. Отрицательно заряженный электрод («катод»), наоборот, увеличивает разницу потенциалов, снижая вероятность возбуждения нейронов при поступлении внешнего сигнала. Таким образом, электростимуляция сама по себе не вызывает активации (возбуждения) нейронов, однако изменяет их физиологическое состояния делая их более или, наоборот, менее склонными к возбуждению.
Однако в последнее время появились исследования, показывающие, что механизмы действия tDCS — гораздо более многообразные. В 2016 году в журнале Nature Communications вышла статья о том, что tDCS может влиять на нейропластичность через активацию вспомогательных клеток нервной ткани — глиальных клеток. В другом исследовании того же года было обнаружено, что tDCS изменяет эпигенетическую регуляцию гена Bdnf. Этот ген кодирует нейротрофический фактор мозга, необходимый для формирования долговременной памяти. А под действием tDCS клетки начинали вырабатывать гораздо большее количество этого фактора.
Для проведения tDCS электроды располагают на определенные зоны мозга, в зависимости от того, какие эффекты необходимо получить. Например, для улучшения моторного обучения — анод помещают над первичной моторной корой. Расположение электродов критически важно для tDCS, так как стимуляция разных зон может приводить к разным результатам. TDCS позволяет локально увеличивать активность зоны мозга, над которой располагается анод. Однако сейчас появляются исследования, демонстрирующие, что действие tDCS более широкомасштабно и затрагивает некоторые другие зоны мозга, функционально связанные со стимулируемой областью.
Стоит отметить, что эффективность tDCS сильно варьирует для разных когнитивных функций. Например, эффект на моторное обучение и математические способности оказывается более значителен, чем — на рабочую память.
В большинстве исследований tDCS используют ток силой 1–2 миллиампера в течение 20 минут. Для того, чтобы эффект от tDCS был значимым, необходимо проводить электростимуляцию несколько дней подряд. Единичные сессии tDCS для большинства когнитивных функций оказываются неэффективными.
Биохакинг мозга — провести дома?
Результаты научных исследований, а также простота процедуры tDCS привлекла внимание биохакеров, начавших проводить электростимуляцию самостоятельно. В США уже возникло комьюнити людей, увлекающихся «домашним tDCS», которое, по оценкам популярного ресурса Reddit, включает в себя не менее 8000 человек.
В июне 2015 года Стэндфордский Университет провел первое подробное исследование этого сообщества: их возраста, пола, рода занятий и образования, а также — целей, с которыми они используют tDCS.
Оказалось, что самостоятельно электростимуляцию проводят в основном мужчины (94%) в возрасте 20–30 лет. Однако есть случаи и использования tDCS пожилыми людьми — для компенсации когнитивных нарушений в старости.
Применяют tDCS в основном люди с высшим образованием (64%), у 13% даже есть степень PhD, MD или JD (доктор юриспруденции). 11% пользователей окончили только 2 года колледжа, а 24% — выпускники школы или еще там учатся. По-видимому, дело здесь в том, что люди узнают о tDCS преимущественно из научных исследований tDCS или посвященных tDCS сайтов (которые тоже в основном описывают научные исследования), что вводит определенный образовательный ценз.
Никакой корреляции между использованием tDCS и финансовым положением людей не обнаружилось. Электростимуляцию примерно с одинаковой частотой (21%) проводят как малообеспеченные люди с годовым доходом до 20 000$, так и довольно богатые люди, зарабатывающие более 90 000$ в год.
Что касается сферы занятий пользователей tDCS — то в основном это люди, занимающиеся профессиональной деятельностью и менеджеры (37%), а также — студенты (20%). В меньшей степени tDCS пользуются чиновники (5%), офисные работники и люди, работающие в сфере продаж (4%), в сфере обслуживания (4%). 6% пользователей tDCS — безработные.
Проводят tDCS преимущественно для улучшения концентрации внимания, обучения и памяти. Однако встречается и «медицинское» использование электростимуляции — в основном от депрессии.
Однако, несмотря на то, что исследования показывают эффективность tDCS для некоторых когнтивных функций, а также — достаточную безопасность этого метода, ученые довольно сдержанно относятся к инициативам её домашнего применения и предостерегают от использования. В первую очередь это связано с тем, что если в научных лабораториях правильность выполнения tDCS строго контролируется, то биохакеры могут пренебречь правилами безопасности.
Так, например, если проводить tDCS больше положенных 20 минут, то можно вызвать повреждения кожи под электродами вплоть до ожогов. Кроме того, нежелательные эффекты можно получить, если небрежно расположить электроды или поменять катод и анод местами (в этом случае можно даже добиться ухудшения когнитивной функции вместо ее улучшения). Кроме того, остается неизвестным, как будет действовать tDCS в случае ее длительного и регулярного применения.
Тем не менее, число желающих испробовать действие электростимуляции на себе только растет, и об их опыте можно легко прочитать в интернете. Например, журналистка Салли Ади использовала tDCS во время обучения стрельбе из винтовки:
«Те 20 минут, что я провела, стреляя по мишеням, пока через мой мозг проходил ток, были прекрасны. Я помню только, что чувствовала себя так, будто бы я выпила кружку отличнейшего кофе, но без всякой «кофейной нервозности». У меня была абсолютно ясная голова, я ничем не отличалась от обычной себя, но была более собранной. И спокойнее. У меня не было ни страха, ни сомнений. С этого времени я как будто бы просто ждала появления нового задания, чтобы его выполнить. Избавившись от свойственных мне страха и неуверенности в себе, я превратилась в чертовски крутого стрелка. Вы даже не представляете, как удивительно было узнать, насколько сильно эти чувства мешают мне выполнять повседневные задачи, да и вообще жить».
Социологические опросы также показывают, что впечатления от электростимуляции в целом положительные. Почти половина (44%) оценивают свой опыт, как «удачный» и «очень удачный». Примерно 41% оценивают эффект от tDCS, как «средний» и 14% — как «неудачный».
Нужно, однако, учитывать, что в случае индивидуального использования tDCS не исключен эффект плацебо. Кроме того, сложно разделить улучшение когнитивной функции, происходящее просто вследствие многократного выполнения задания, и благодаря электростимуляции.
С другой стороны, опрос пользователей tDCS показывает, что многие из них испытывают побочные эффекты. В основном — это жжение и зуд в области прикрепления электродов. Иногда при использовании tDCS могут возникать головная боль, нервозность и усталость, правда, оцениваемая как «очень слабая».
Чтобы добиться количественной оценки изменения когнитивных показателей, пользователи tDCS часто используют так называемые мозговые тренажеры — «Lumosity», «Dual N-Back Game» или «Cambridge Brain Challenge». Рассказ о тестировании tDCS, в том числе во время игры в Lumosity, написал нейробиолог Николай Кукушкин:
»…Самое интересное произошло, когда я стал экспериментировать с местами прикрепления электродов. Американским военным стимулируют не лоб, а правый висок. Когда я попробовал такую конфигурацию, разница стала очевидной. По телу пробежали не то что мурашки, а эдакая мягкая, теплая дрожь — так бывает, когда с головой окунаешься в какой-то процесс и не видишь ничего, кроме этого процесса. Я снова взялся за Lumosity. Память особо не выделялась, внимание слегка улучшилось. Но когда я попробовал игры на скорость, вопросов не осталось.
В этих играх нужно быстро принять простое решение, например, соответствует ли показанная карточка предыдущей. Да — одна клавиша, нет — другая. Нужно реагировать как можно быстрее и избегать ошибок. Я с первого раза побил три рекорда в трех разных играх, организованных по этому принципу. Во всех трех случаях предыдущим рекордам было по несколько месяцев. Мне требовалось несколько секунд, чтобы «влиться» в игру, после чего пальцы как будто барабанили сами, а по телу растекалась все та же дрожь. Хотелось смеяться…»
В целом, провести tDCS дома не составляет труда. Многие компании начали производить компактные tDCS девайсы, например, «focus», «thync» и «the brainstimulator» в США. Волна «DIY» электростимуляции начинает доходить до России, по крайней мере, первый российский tDCS прибор находится на стадии успешного краудфандинга.
Однако стоит иметь в виду, что tDCS — это всё еще экспериментальная технология, долгосрочные и этические последствия которой полностью не изучены. А в случае использования — она требует очень внимательного отношения и тщательного соблюдения всех правил применения.
