Электростимуляция мозга: Электростимуляция помогла отстающим детям освоить математику |

Содержание

Электростимуляция помогла отстающим детям освоить математику

Исследование с
использованием метода транскраниальной стимуляции белым шумом показало, что
электростимуляция префронтальной коры головного мозга помогает детям с
нарушениями способности к овладению математикой. Статья с отчетом британских специалистов по
экспериментальной психологии из университетов Оксфорда, Кембриджа и Лондона опубликована на сайте Nature.

Электростимуляция
головного мозга — это метод использования слабых электрических импульсов
прямого или переменного тока для модуляции синхронизированной активности
отдельной группы нейронов. Такой метод широко применяется в исследованиях
нейропластичности — способности мозга изменяться с течением времени, строить
новые нейронные связи и восстанавливать разрушенные в результате
неврологических заболеваний или повреждений ткани головного мозга.

Большинство методов
электростимуляции головного мозга, применяемых на людях, безболезненны,
безопасны и неинвазивны: процесс происходит без прямого контакта с корой
больших полушарий. Исключением служит глубокая мозговая стимуляция (deep brain stimulation, коротко DBS), при которой электроды
вставляют в мозг через маленькие отверстия в черепе. Этот метод используется
только при реабилитации пациентов с тяжелыми формами таких неврологических
заболеваний, как болезнь Паркинсона и синдром Туретта.

Транскраниальная
стимуляция случайным шумом (transcranial
random noise stimulation, коротко tRNS) — это метод неинвазивной
электростимуляции головного мозга, при котором на мозг воздействуют
разрядами электрического тока случайной частоты. Эта методология появилась
недавно и еще не так подробно изучена и не так широко используется, однако отдельные
исследования доказывают ее важную роль в улучшении когнитивных способностей в процессе
обучения.

Авторы нового исследования выяснили, что воздействие tRNS на дорсолатеральную часть префронтальной
коры, которая отвечает за управление мыслительной и моторной активностью,
играет большую роль при когнитивном обучении детей с нарушениями способности к
овладению математикой.

В исследовании приняли
участие 12 детей, которых разделили на две группы: одна группа получала
электростимуляцию, вторая получала плацебо — вид «пустой» стимуляции, который
по ощущениям ничем не отличается от настоящей, но не имеет никакого
эффекта. В течение пяти недель, два раза в неделю, они выполняли задания следующего рода. Детей ставили перед
экраном с изображенным на нем числовым отрезком определенной длины (например, от 1 до 10) и
показывали отдельные цифры, входящие в диапазон этого отрезка. Задача
детей заключалась в том, чтобы правильно расположить цифры. Специальная камера
фиксировала ответы детей.

При интерпретации результатов проведенного дисперсионного анализа, ученые выяснили, что динамика ежедневного среднего показателя допущенных ошибок в каждой группе испытуемых статистически значимо (p < 0.001) указывала в пользу тех детей, которые получали электростимуляцию.

Повышение точности при выполнении этого задания также повлияло на успехи в
математике: дети, получавшие электростимуляцию, улучшили свои результаты при
выполнении стандартизированного математического теста, который выявляет соответствие знаний определенному возрасту.

Что касается этической
стороны вопроса, то ученые отметили, что ни один из участников эксперимента не
испытывал дискомфорта при получении стимуляции или плацебо.

Концепция улучшение когнитивных
способностей с помощью неинвазивной стимуляции головного мозга не нова.
Однако дискуссии относительно эффективности стимуляции, ввиду недостатка эмпирических доказательств, продолжаются.

Елизавета Ивтушок

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.

Транскраниальная электростимуляция (ТЭС) Medical On Group Пермь

Транскраниальная электростимуляция (ТЭС) — инновационная безболезненная процедура, направленная на значительное улучшение мозговой деятельности.

Транскраниальная (воздействие непосредственно на структурные центры головного мозга, гипофиза и гипоталамуса) электростимуляция позволяет справиться: с депрессией, хроническими болями, проблемами со сном, синдромом эмоционального выгорания, применяется во время восстановления после инсульта. Предупреждает развитие многих неврологических патологий, включая болезнь Альцгеймера, не противопоказана при онкологических заболеваниях.

Преимущество метода:

1. эффективный физиотерапевтический метод;

2. имеет более 30 лет клинических применений в 21 странах мира;

3. метод активизирует естественную выработку эндорфинов;

4. применяется в острую, подострую и хроническую стадию заболеваний, а так же используется в профилактических целях;

5. является альтернативой приёму лекарственных средств, либо существенно сокращает количество принимаемых медикаментозных препаратов;

6. сокращает сроки лечения;

7. сочетается с любыми методами лечения.

Противопоказания:

судорожные состояния, эпилепсия;

острые психические расстройства;

тяжелые заболевания головного мозга, такие как гидроцефалия, опухоли и кисты;

наличие кардиостимулятора, мерцательная аритмия.

Эндорфины оказывают регулирующее влияние на:

Переживание,

Терморегуляцию,

Глубину и качество сна,

Аппетит,

Память,

Антиоксидантную защиту,

Диурез,

Синтез гормонов СТГ, АКТГ, кортизола,

Липолиз.

ТЭС терапия основана на принципах доказательной медицины. В 80-х годах в Институте физиологии им. И.П. Павлова разработан метод транскраниальной электростимуляции защитных механизмов мозга. С помощью томографии установлено, что активация защитных механизмов осуществляется только при определённом направлении стимулирующего тока (фронто-ретромастоидальное расположение электродов). Исследованные центральные и периферические механизмы ТЭС-терапии подтверждают обоснованность метода для лечения и профилактики. За эту разработку Института физиологии им. И.П. Павлова был удостоен Государственной премии РФ.

В настоящее время достоверно установлены основные лечебные эффекты ТЭС-терапии:

1. Купирование болевого синдрома, снижается чувствительность болевых рецепторов, блокируется проведение болевых импульсов в спинном мозге за счет эндорфинного торможения (субстанции Р), на уровне ядер таламуса.

2. Стимуляция процессов репарации, ускоряется регенерация тканей (кожного и желудочного эпителия, соединительной ткани, гепатоцитов, нервных периферических волокон)

3. Стимуляция иммунитета, антиаллергический эффект. усиливается образование IgM и подавляется синтез IgE, эндорфин активирует Т-хелперы и НК-клетки (естественные киллеры).

4. Нормализация артериального давления, происходит ослабление как стимулирующих так и тормозящих влияний на вазомоторные бульбоспинальные нейроны расположенные в продолговатом мозгу. Нормализуется периферическое кровообращение в конечностях и коже.

5. Антитоксическое действие, нормализуется дезинтоксикационная функция печени, азотистый обмен, активируется окислительное фосфолирирование, снижается перекисное окисление липидов.

Автор статьи:

Ефремов А.В.

Понравился материал? поделись с друзьями!

Использование электричества, чтобы мыслить и чувствовать по-новому · Границы для молодых умов

Аннотация

Знаете ли вы, что, читая это, ваш мозг посылает химические и электрические сигналы, чтобы помочь вам понять слова и их значение? Ваш мозг состоит из сети маленьких клеток, называемых нейронами, которые общаются электрохимически, чтобы вы могли думать, чувствовать и взаимодействовать с окружающим миром. Поскольку за активность мозга отвечают электрические заряды, электрическая стимуляция, в свою очередь, может использоваться для изменения функционирования мозга. Стимуляция мозга использовалась для лечения расстройств настроения и стресса, и она даже может помочь людям решать проблемы, запоминать информацию и лучше концентрировать внимание. К счастью, многие из областей мозга, которые контролируют эти функции, расположены в коре, которая является внешним краем мозга, ближайшим к черепу. До коры головного мозга можно добраться с помощью метода, называемого транскраниальной (в череп) стимуляцией постоянным током (9).0005 tDCS для краткости). В этой статье мы обсудим, как можно использовать tDCS, чтобы помочь людям думать и чувствовать по-другому.

Электрическая стимуляция мозга может быть безопасным и эффективным способом временного изменения мозговой активности без хирургического вмешательства. Зачем нам изменять активность мозга? Что ж, люди с повреждением или расстройством головного мозга могут решить потенциально проблемные паттерны мозговой активности с помощью стимулирующей терапии. Люди со здоровым функционированием мозга также могут получить пользу от стимуляции мозга, улучшая регуляцию эмоций, внимание, способность к обучению, решению проблем и памяти. Вам может быть интересно, как можно стимулировать мозг, не вскрывая череп. Электричество от аппарата для стимуляции проходит через ваш череп, воздействуя на электрические сигналы, отвечающие за активность мозга. В этой статье мы обсудим один из наиболее часто используемых типов стимуляции мозга, используемых для изменения мозговой активности: транскраниальную стимуляцию постоянным током (tDCS).

Клетки мозга используют электричество и химические вещества для общения

Нейроны — это клетки головного мозга. Нейроны используют как электрические заряды, так и химические вещества, называемые ионами , для связи друг с другом. Мы говорим, что нейроны имеют электрохимический заряд, и этот заряд меняется в зависимости от того, находится ли нейрон в покое или посылает сигнал. Внутри и между нейронами находится жидкость, содержащая ионы, представляющие собой атомы или молекулы, имеющие положительный или отрицательный заряд. Когда нейрон находится в состоянии покоя, внутри него больше отрицательных ионов, а снаружи больше положительных ионов (рис. 1А), что придает мембране нейрона отрицательный заряд. Когда происходит активность мозга, положительные ионы устремляются через каналы в нейронной мембране (рис. 1В), и когда заряд становится достаточно высоким, нейрон посылает сигнал для связи с соседними нейронами (рис. 1С). Думайте об этом как о спичке, которую нужно зажечь с достаточной силой; как только она искрит, вся спичка загорается. Электрическая стимуляция кожи головы может воздействовать на электрохимическую активность мозга и изменять заряды нейронов без хирургического вмешательства. Поскольку в каждый момент времени активируется не только один нейрон, а скорее «популяция» нейронов, изменение заряда жидкости, окружающей популяцию нейронов, может оказать существенное влияние на активность мозга.

Рисунок 1. (A) Электрохимическое состояние нейрона в состоянии покоя по сравнению с (B) нейроном, посылающим сигнал.
Желтые кружки обозначают отрицательно заряженные ионы, а розовые кружки — положительно заряженные ионы. В состоянии покоя внутри клетки больше отрицательных ионов, а снаружи больше положительных ионов, поэтому говорят, что нейрон имеет общее отрицательное напряжение. Когда нейрон активируется, положительные ионы устремляются в клетку, а отрицательные ионы устремляются наружу, делая напряжение внутри клетки в целом более положительным. (C) Это изменение заряда затем распространяется по длине клетки, чтобы активировать соседнюю ячейку.

Как транскраниальная стимуляция постоянным током влияет на нейроны?

На группу нейронов можно воздействовать с помощью tDCS, который использует электрический ток для изменения электрохимической активности определенной области мозга. Два резиновых электрода располагаются на голове для нацеливания на интересующую область мозга, и эти электроды образуют электрическую цепь, посылая ток через кожу и череп, воздействуя на мозг под ним (рис. 2) [1].

Рис. 2. Возможная установка электрода tDCS.
В этом примере левая ДЛПФК получит отрицательно заряженную стимуляцию. Как указано стрелками, ток течет от машины tDCS через красный провод к отрицательному электроду. Затем ток продолжается от отрицательного электрода к положительному (через череп и мозг человека), а затем обратно по синему проводу к самой машине, создавая замкнутую цепь. В результате протекания этого тока целевые нейроны в левой DLPFC с меньшей вероятностью отправят сигналы в другие части мозга из-за отрицательного заряда в мозгу возле этого электрода.

Как эти электрические поля влияют на активность нейронов? Поскольку tDCS посылает ток от одного электрода к другому только в одном направлении, стимуляция создает положительный заряд под одним электродом и отрицательный заряд под другим. Эти заряды по-разному влияют на нейроны. Возвращаясь к аналогии со спичками, различные условия могут сделать спичку более или менее вероятной для возгорания, например, нахождение под палящим солнцем или во влажном климате. tDCS работает, увеличивая или уменьшая заряд окружающих популяций нейронов, делая их более или менее склонными к отправке сигналов. Если вы выстроите спички в ряд, поджег одну, подожжет другую. Нейроны взаимодействуют аналогичным образом, посылая сигналы соседним нейронам, которые затем посылают сигналы другим нейронам и так далее.

Для чего можно использовать tDCS?

Регулирование эмоций

Небольшая грусть и стресс — обычное дело в жизни, и большинство людей испытывают эти эмоции в разумных количествах. Однако длительные периоды депрессии, беспокойства и стресса иногда могут быть индикаторами нарушений регуляции настроения, которые сказываются на психическом (и физическом) здоровье. Ферруччи и др. [2] использовали tDCS для уменьшения симптомов одного очень распространенного расстройства регуляции настроения, известного как большое депрессивное расстройство (БДР). Это расстройство связано с постоянным чувством грусти, низким уровнем энергии, изменениями аппетита и потерей интереса к деятельности. Эти симптомы длятся долго и, как считается, вызваны дисбалансом активности в головном мозге. Сканирование головного мозга показывает более низкую, чем обычно, активность нейронов в области передней части мозга, называемой левой дорсолатеральной префронтальной корой (ДЛПФК; см. Рисунок 3), а иногда активность нейронов выше нормы в правой ДЛПФК. DLPFC имеет связи с эмоциональными областями, расположенными глубже в мозгу, и поэтому играет важную роль в контроле настроения. В этом исследовании участники с тяжелой депрессией сначала заполняли анкеты, чтобы оценить свое настроение. Затем в течение 5 дней подряд испытуемым проводили стимуляцию левой ДЛПФК по 20 мин дважды в день. Участники снова заполнили анкеты о настроении сразу после tDCS, и большинство из них показали улучшения по всем из них! Даже при тестировании месяц спустя участники все еще демонстрировали ослабленные симптомы грусти и депрессии.

Рисунок 3. Области мозга, связанные с различными функциями, обсуждаемыми в этой статье.

Существует множество других исследований, в которых tDCS применяется к DLPFC для лечения депрессии. Однако исследование Ферруччи особенно интересно тем, что все пациенты были отобраны потому, что ранее они не реагировали на антидепрессанты. tDCS может лучше всего уменьшить симптомы депрессии в сочетании с лекарствами и другими формами лечения, но интересно знать, что сама по себе стимуляция также может помочь.

Улучшение когнитивных функций

Познание — это акт понимания окружающего мира с помощью мысли. Это понимание требует сочетания внимания, обучения и решения проблем, а также памяти. Различные когнитивные процессы зависят от разных частей мозга, и стимуляция мозга может применяться к разным областям для поощрения и улучшения различных аспектов познания. Давайте поговорим о нескольких конкретных когнитивных функциях, на которые, как было показано, влияет tDCS.

Внимание

Наряду с ролью в регуляции настроения, DLPFC важен для внимания и импульсов. DLPFC менее активен у людей с синдромом дефицита внимания и гиперактивности (СДВГ). СДВГ мешает сосредоточиться на одном предмете или задаче за раз, игнорировать отвлекающие факторы и контролировать импульсивное поведение. Однако исследование 37 пациентов с СДВГ показало, что стимуляция ДЛПФК с помощью tDCS повышала их способность концентрировать внимание. Участники выполняли набор заданий, в которых они должны были реагировать только на некоторые стрелки или буквы, представленные на экране, игнорируя при этом другие. После tDCS участники с меньшей вероятностью реагировали на изображения, которые они должны были игнорировать, что показывало, что они могли более эффективно контролировать свое поведение [3].

Обучение

Обучение и решение проблем являются важными когнитивными процессами, которые можно улучшить с помощью стимуляции мозга. Область мозга, которую необходимо стимулировать для усиления этих процессов, зависит от того, что и как изучает человек. Например, исследователи знают, что, когда мы мысленно манипулируем числами, активируется правая теменная доля мозга (расположение теменной доли см. на рис. 3). Зная это, исследователи [4] применили tDCS к правой теменной доле здоровых взрослых, пока эти взрослые изучали взаимосвязь между случайными символами и присвоенными им числовыми значениями. Изучая фальшивую систему счисления, треть участников получили положительный заряд правой теменной доли, треть получила отрицательный заряд правой теменной доли, а треть получила фальшивую (или «фиктивную») стимуляцию правой теменной доли. доля. После того, как участники завершили этап обучения, они были проверены на свои вновь приобретенные числовые знания. Результаты этого исследования показали, что участники, получившие возбуждающую стимуляцию, продемонстрировали лучшее понимание ложной системы счисления и приобрели это понимание быстрее, чем группы торможения и ложной стимуляции. Кроме того, спустя 6 месяцев исследователи выяснили, что то, что они узнали о фальшивой системе счисления, сохраняется с течением времени! Основываясь на этом исследовании, мы знаем, что возбуждающая tDCS может улучшить наши способности к численному обучению при применении к правой теменной доле во время обучения [4].

Решение проблем

Стимуляция мозга также может улучшить способность решать проблемы. Группа исследователей [5] исследовала, могут ли они использовать стимуляцию мозга, чтобы помочь участникам лучше решать проблемы. Исследователи стимулировали мозг в двух местах: переднюю правую височную долю (rATL) и левую переднюю височную долю (lATL) (расположение височной доли см. на рис. 3). Височные доли связаны с нестандартным мышлением и систематическим решением проблем. Одна группа участников получила положительный заряд на rATL и отрицательный заряд на lATL. Другая группа получила обратное: отрицательный заряд на rATL и положительный заряд на lATL. Третья группа получила фальшивую стимуляцию. Во-первых, участники были обучены решать проблему, используя определенную стратегию. Затем, после получения 5 минут tDCS, их попросили решить аналогичную задачу, требующую нестандартного мышления. Шестьдесят процентов участников, получивших положительный заряд на rATL и отрицательный заряд на lATL, смогли успешно решить вторую версию задачи до того, как их время истекло. Только 20% участников, получивших реверс, смогли решить задачу, что было примерно таким же процентом людей из поддельного условия, которые ее решили. Это исследование является ярким примером того, как tDCS может улучшить способность решать проблемы [5].

Память

Когда вы встречаете нового друга, вы сначала узнаете его или ее имя. В течение следующих нескольких взаимодействий с этим человеком вам часто приходится напоминать себе имя этого человека, пока вы не запомните его. Этот тип памяти на фактические знания называется декларативной памятью. Когда мы спим, наш мозг закрепляет новые декларативные воспоминания, полученные в течение дня, в нашу долговременную память. Исследователи из Германии показали, что применение tDCS к спящему мозгу может улучшить декларативную память у здоровых взрослых. До стимуляции участники этого исследования выучили 46 пар слов (например, «крыло птицы»). Выучив пары слов, некоторые участники заснули, а другие бодрствовали и смотрели видео. Половина спящих участников получила возбуждающую стимуляцию лобных долей, а половина — фальшивую стимуляцию (то же самое и с бодрствующими участниками). Проснувшись, участники в состоянии сна прошли тест на припоминание, чтобы увидеть, насколько хорошо они запомнили пары слов из предыдущего. Условие пробуждения сделало то же самое после того, как они закончили просмотр видео. Результаты показали, что участники, которые получали возбуждающую стимуляцию во время сна, смогли запомнить больше пар слов по сравнению с теми, кто находился в состоянии бодрствования, а также по сравнению с группой, которая получила фальшивую стимуляцию! Возбуждающая стимуляция не помогла участникам в состоянии бодрствования справиться с тестом на припоминание лучше, чем те, кто получил фальшивую стимуляцию [6]. Этот эксперимент не только демонстрирует важность хорошего ночного сна, но и способность стимуляции мозга улучшать память.

Почему это исследование важно?

Исследование, обсуждаемое в этой статье, показывает, что tDCS может быть полезна для улучшения различных функций мозга, включая регулирование эмоций и улучшение когнитивных функций, таких как внимание, обучение, решение проблем и память. Но это важное исследование также напоминает нам, как много еще предстоит узнать. Стимуляция мозга может положительно повлиять на то, как мы думаем и чувствуем, но в настоящее время tDCS может получить доступ только к внешним слоям мозга. Из-за этого до сих пор есть несколько функций мозга, которые не были исследованы с помощью этой технологии. Технологии могут развиваться в будущем, проникая в более глубокие структуры мозга, лежащие ниже коры. Использование tDCS, вероятно, будет продолжать расти, поэтому следите за новыми захватывающими открытиями в области стимуляции мозга!

Глоссарий

Нейрон : ↑ Клетки, расположенные в мозгу, которые обрабатывают и передают информацию внутри мозга, а также между мозгом и телом.

Ион : ↑ Электрически заряженная частица.

Электрохимический : ↑ Использование как электрической, так и химической энергии.

Познание : ↑ Умственные процессы, с помощью которых мы думаем, понимаем, обращаем внимание, решаем проблемы, запоминаем информацию и воспринимаем окружающий мир.

Заявление о конфликте интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могли бы быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Каталожные номера

[1] ↑ Paulus, W. 2011. Методы транскраниальной электростимуляции (tES-tDCS; tRNS, tACS). Нейропсихология. Реабилит. 21: 602–17. дои: 10.1080/09602011.2011.557292

[2] ↑ Ферруччи Р., Бортоломаси М., Вергари М., Тадини Л., Сальворо Б., Джакопуцци М. и др. 2009 г.. Транскраниальная стимуляция постоянным током при тяжелой, резистентной к лекарствам большой депрессии. Дж. Аффект. Беспорядок. 118:215–9. doi: 10.1016/j.jad.2009.02.015

[3] ↑ Allenby, C., Falcone, M., Bernardo, L., Wileyto, E.P., Rostain, A., Ramsay, J.R., et al. 2018. Транскраниальная стимуляция мозга постоянным током снижает импульсивность при СДВГ. Мозговой стимул. 11: 974–81. doi: 10.1016/j.brs.2018.04.016

[4] ↑ Хаузер, Т. У., Ротцер, С., Грабнер, Р. Х., Мериллат, С., и Янке, Л. 2013. Повышение производительности при обработке числовых значений и ментальной арифметике с использованием транскраниальной стимуляции постоянным током (tDCS). Фронт. Гум. Неврологи. 7:244. дои: 10.3389/fnhum.2013.00244

[5] ↑ Чи, Р. П., и Снайдер, А. В. 2011. Облегчение понимания путем неинвазивной стимуляции мозга. ПЛОС ОДИН. 6:e16655. doi: 10.1371/journal.pone.0016655

[6] ↑ Marshall, L., Mölle, M., Hallschmid, M., and Born, J. 2004. Транскраниальная стимуляция постоянным током во время сна улучшает декларативную память. Дж. Нейроски. 24:9985–92. doi: 10.1523/JNEUROSCI.2725-04.2004

Встряхивание мозговых цепей электричеством становится почти мейнстримом

Специальный отчет

Автор: Изабелла Куэто 12 января 2022 г.

Переиздания

Кевин О’Нил, которого видели на заднем дворе его дома в Сан-Ансельмо, Калифорния, лечится методом глубокой стимуляции мозга от болезни Паркинсона.
Constanza Hevia для STAT

В июне 2015 года профессор биологии Коллин Хэнлон посетила конференцию по наркозависимости. Когда она встретилась с другими исследователями и побродила по конференц-залам роскошного курорта в Фениксе, чтобы узнать о последних работах по лечению расстройств, связанных с употреблением наркотиков и алкоголя, она поняла, что из 730 плакатов было только два, посвященных стимуляции мозга как потенциальному лечению наркомании. зависимость — оба из ее собственной лаборатории в Медицинской школе Уэйк Форест.

Всего четыре года спустя она возглавит 76 исследователей на четырех континентах, написавших согласованную статью о стимуляции мозга как инновационном инструменте для лечения зависимости. А в 2020 году Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов одобрило устройство транскраниальной магнитной стимуляции, чтобы помочь пациентам бросить курить, что является важной вехой для расстройств, связанных с употреблением психоактивных веществ.

Стимуляция мозга набирает обороты. Хэнлон может посещать целые конференции, посвященные изучению того, что электрические токи делают с запутанными сетями магистралей и обратных дорог, составляющих схему мозга. Эта расширяющаяся область исследований медленно раскрывает правду о мозге: как он работает, как он работает со сбоями и как электрические импульсы, точно направленные и контролируемые, могут использоваться для лечения психических и неврологических расстройств.

За последние полдюжины лет исследователи начали исследования того, как различные формы нейромодуляции влияют на зависимость, депрессию, потерю контроля над приемом пищи, тремор, хроническую боль, обсессивно-компульсивное расстройство, болезнь Паркинсона, эпилепсию и многое другое. Ранние исследования показали, что тонкие электрические импульсы в определенных областях мозга могут нарушать аномалии в цепи — недопонимание, — которые, как считается, лежат в основе многих заболеваний головного мозга, и помогают облегчить симптомы, которые сохраняются, несмотря на традиционные методы лечения.

Масштабная инициатива BRAIN Национального института здравоохранения выдвинула схемы на первое место и в центр, выделив 2,4 миллиарда долларов исследователям с 2013 года на разработку и использование новых инструментов для наблюдения за взаимодействием между клетками мозга и цепями. Это, в свою очередь, вызвало интерес со стороны частного сектора. Среди достижений, которые расширили наше понимание того, как отдаленные части мозга взаимодействуют друг с другом, — новая технология визуализации и использование машинного обучения для интерпретации сложных сигналов мозга и анализа того, что происходит, когда цепи выходят из строя.

Тем не менее, эта область находится в зачаточном состоянии, и даже методы лечения, которые были одобрены для использования у пациентов, например, с болезнью Паркинсона или эпилепсией, помогают лишь меньшинству пациентов. «Если бы это была Библия, это была бы первая глава Бытия», — сказал Майкл Окун, исполнительный директор Института неврологических заболеваний Нормана Фикселя при Университете здоровья Флориды.

По мере развития стимуляции мозга исследователи сталкиваются с пугающими препятствиями, и не только научными. Как стимуляция мозга станет доступной для всех пациентов, которые в ней нуждаются, учитывая, насколько дорогими и инвазивными являются некоторые методы лечения? Доказать FDA, что стимуляция мозга работает и делает это безопасно, сложно и дорого. Даже с ростом научного импульса и притоком финансирования агентство до сих пор очистило стимуляцию мозга только для нескольких ограниченных состояний. Убедить страховщиков покрыть лечение — еще одна проблема. А за пределами лаборатории исследователи обсуждают возникающие вопросы, такие как этика контроля над разумом, конфиденциальность данных о мозге человека и то, как наилучшим образом привлечь пациентов к изучению отдаленных областей человеческого мозга.

Невролог Марта Моррелл с оптимизмом смотрит в будущее стимуляции мозга. Она помнит шокированную реакцию своих коллег в 2004 году, когда она оставила преподавательскую деятельность в Стэнфорде (у нее все еще есть должность клинического профессора неврологии), чтобы руководить клиническими испытаниями в NeuroPace, тогда еще молодой компании, производившей системы нейростимуляторов для потенциального лечения. больных эпилепсией.

«Когда я начал работать над этим, все думали, что я сошел с ума», — сказал Моррелл. По прошествии почти 20 лет она видит параллель между историей сотрясения цепей мозга и историей ранних имплантируемых сердечных устройств, таких как кардиостимуляторы и дефибрилляторы, которые первоначально «использовались в качестве последнего варианта, когда все другие лекарства не сработали». Теперь «в области кардиологии очень удобно включать электротерапию, аппаратную терапию в рутинную помощь. И я думаю, что это действительно то, к чему мы идем с неврологией».

Достижение «склона просветления»

Болезнь Паркинсона в некотором смысле старейшая в мире современной стимуляции мозга, и она демонстрирует как потенциал, так и ограничения технологии. Хирурги имплантируют электроды глубоко в мозг пациентов с болезнью Паркинсона с конца 1990-х годов, а людям с более поздними стадиями болезни — с начала 2000-х.

За это время он прошел «цикл ажиотажа», — сказал Окун, национальный медицинский советник Фонда Паркинсона с 2006 года. сказал. Они обнаружили, что глубокая стимуляция мозга очень полезна для некоторых пациентов с болезнью Паркинсона, делая их почти бессимптомными, успокаивая дрожь и тремор, на которые лекарства не способны. Но это не останавливает прогрессирование болезни и не решает некоторых проблем, с которыми сталкиваются пациенты с прогрессирующей болезнью Паркинсона при ходьбе, разговоре и мышлении.

В 2015 году, в том же году, когда Хэнлон обнаружила на конференции по наркомании только результаты своей лаборатории по стимуляции мозга, Кевин О’Нил наблюдал, как один палец на его левой руке начал делать что-то «причудливое». Один палец дернулся, потом два, потом левая рука начала покалывать, а в правой ноге появилось ощущение, будто вот-вот затрясется, но не хочет — дрожь.

«Я предполагал, что это было беспокойство», — сказал 62-летний О’Нил STAT. Он и раньше боролся с тревогой и пережил напряженный год: разлука, продажа дома, начало новой работы в юридической фирме в Калифорнийском заливе. Но через год после того, как у него впервые появились симптомы, у О’Нила диагностировали болезнь Паркинсона.

Врачи прописали ему таблетки, способствующие высвобождению дофамина, чтобы компенсировать гибель клеток мозга, вырабатывающих эту молекулу-мессенджер в цепях, контролирующих движение. Но он принимал их нечасто, потому что беспокоился о бессоннице как о побочном эффекте. Ходить стало трудно — «мне приходилось думать, что моя левая нога должна двигаться», — и адвокату по трудовым спорам было трудно проводить презентации и ездить в офисы клиентов.

Бывший актер с общительным характером, у него развилась социофобия, и он три года не говорил начальству о своем диагнозе, и не стал бы, если бы не два рабочих дня летом 2018 года, когда его дрожь была сильной и явной.

Тремор О’Нила почти прошел с тех пор, как в мае прошлого года он начал проводить глубокую стимуляцию мозга, хотя его левая рука дрожит, когда он чувствует напряжение. Constanza Hevia для STAT

Именно в этот период он узнал о глубокой стимуляции мозга в группе поддержки пациентов с болезнью Паркинсона. «Я подумал: «Я никогда никому не позволю возиться со своими мозгами. Я не собираюсь быть кандидатом на это», — вспоминал он. «Это было похоже на безумного ученого из научной фантастики. Типа, ты издеваешься?»

Но со временем идея стала менее радикальной, поскольку О’Нил общался с пациентами с DBS и врачами и проводил собственные исследования, а его симптомы ухудшались. Он решил пойти на это. В мае прошлого года врачи Калифорнийского университета в Сан-Франциско хирургическим путем ввели в его мозг три металлических провода, соединенных тонкими шнурами с двумя имплантатами в его груди, рядом с ключицами. Месяц спустя он пошел в лабораторию, и исследователи включили устройство.

— В тот день это было откровением, — сказал он. «Вы немедленно — буквально, немедленно — почувствуете эффективность этих вещей. … Вы переходите от полностью симптоматического состояния к бессимптомному за считанные секунды».

Когда его племянник подъехал к обочине, чтобы забрать его, О’Нил начал танцевать, и его племянник расплакался. На следующий день О’Нил не мог дождаться, чтобы встать с постели и выйти, даже если это было просто, чтобы забрать свою машину из ремонтной мастерской.

За прошедший год походка О’Нила из «неуклюжей и болезненной» стала намного лучше, а тремор практически исчез. Когда он сильно измотан, например, во время ремонта и переезда в свой новый дом с видом на холмы округа Марин, он чувствует напряжение, его левая рука дрожит, и он беспокоится, что DBS «не срабатывает», но обычно он возвращается к комфортному, дрожащему состоянию. свободный базовый уровень.

О’Нил беспокоился о том, что последствия DBS ослабевают, но сейчас он может думать «десятилетиями, а не годами или месяцами», как сказал ему невролог. «Тот факт, что я могу избавиться от этого беспокойства, был большим событием».

Но он всего лишь один пациент. В мозгу есть области, которые в основном одинаковы у всех людей. Функции этих регионов также имеют тенденцию быть одинаковыми. Но исследователи подозревают, что то, как области мозга взаимодействуют друг с другом — кто с кем общается и какой у них разговор — и то, как эти смешения и совпадения вызывают сложные заболевания, варьируется от человека к человеку. Таким образом, стимуляция мозга выглядит по-разному для каждого пациента.

Каждый случай болезни Паркинсона проявляется немного по-разному, и это немного знаний, которые применимы ко многим другим заболеваниям, сказал Окун, который девять лет организовывал аналитический центр по глубокой стимуляции мозга, где ведущие исследователи собираются, просматривают документы и публикуют отчеты. о прогрессе в области каждый год.

«Я думаю, что мы все коллективно приходим к пониманию того, что эти болезни не являются универсальными, — сказал он. «Мы должны действительно начать переосмысливать всю инфраструктуру, схему, структуру, с которой мы начинаем».

Стимуляция мозга также часто используется для лечения людей с распространенными формами эпилепсии, и у многих пациентов она уменьшила количество приступов или улучшила другие симптомы. Исследователи также смогли собрать высококачественные данные о том, что происходит в мозгу во время припадка, включая выявление различий между типами эпилепсии. Тем не менее, по словам Роберта Гросса, профессора нейрохирургии Университета Эмори в Атланте, только около 15% пациентов не имеют симптомов после лечения.

«И это критическая разница для людей с эпилепсией. Потому что люди без симптомов могут водить», что означает, что они могут добраться до работы в таком месте, как Джорджия, где мало общественного транспорта, сказал он. Поэтому, по словам Гросс, крайне важно перевести нейромодуляцию «от хорошего к лучшему».

Возрождение древней идеи

Недавние достижения привели к тому, что Гросс называет «почти периодом возрождения» стимуляции мозга, хотя идеи, лежащие в основе этой технологии, устарели на тысячелетия. Нейромодуляция восходит как минимум к Древнему Египту и Греции, когда электрические разряды от ската, называемого «рыба-торпеда», рекомендовались для лечения головной боли и подагры. На протяжении веков из-за рыбных запоев врачи прожигали дыры в мозгу пациентов. Эти «поражения» каким-то образом работали, но никто не мог объяснить, почему они облегчали симптомы у некоторых пациентов, сказал Окунь.

Возможно, самым явным предшественником сегодняшней технологии является электрошоковая терапия (ЭСТ), которая в зачаточном и опасном виде начала использоваться у пациентов с депрессией примерно 100 лет назад, сказал Нолан Уильямс, директор лаборатории стимуляции мозга в Стэнфордском университете.

Более современные формы стимуляции мозга появились в США в середине 20-го века. Распространенным неинвазивным подходом является транскраниальная магнитная стимуляция, при которой электромагнитная катушка помещается на кожу головы для передачи тока в самый внешний слой мозга. Стимуляция блуждающего нерва (ВНС), используемая для лечения эпилепсии, ущемляет нерв, который способствует возникновению некоторых припадков.

Самый инвазивный вариант, глубокая стимуляция мозга, включает в себя имплантацию в череп устройства, прикрепленного к электродам, встроенным в глубокие области мозга, такие как миндалевидное тело, до которых невозможно добраться с помощью других устройств стимуляции. В 1997 г. FDA дало первый зеленый свет глубокой стимуляции мозга для лечения тремора, а затем болезни Паркинсона в 2002 г. и дистонии двигательных расстройств в 2003 г.

Несмотря на то, что эти методы лечения были одобрены для пациентов, то, что происходило в мозгу, оставалось неуловимым. Но передовые инструменты визуализации теперь позволяют исследователям заглянуть в мозг и составить карту сетей — недавний прорыв, который, по словам исследователей, продвинул вперед область стимуляции мозга так же, как и увеличение финансирования. Визуализация как человеческого мозга, так и моделей животных помогла исследователям идентифицировать нейроанатомию болезней, более точно нацеливать области мозга и наблюдать за тем, что происходит после электрической стимуляции.

Еще одним ключевым шагом стал переход от стимуляции с разомкнутым контуром — постоянным потоком электричества — к стимуляции с замкнутым контуром, которая обеспечивает целенаправленные короткие импульсы в ответ на триггер симптома. Чтобы использовать футуристические технологии, лабораториям нужны люди для разработки инструментов искусственного интеллекта для интерпретации больших наборов данных, которые генерирует мозговой имплантат, и для адаптации устройств на основе этой информации.

«Нам нужно было научиться быть исследователями данных», — сказал Моррелл.

Чтобы восполнить этот пробел, были созданы группы единомышленников, такие как Open Mind Consortium, финансируемый NIH. Филип Старр, нейрохирург и разработчик имплантируемых мозговых устройств в системе здравоохранения Калифорнийского университета в Сан-Франциско, возглавляет усилия по обучению врачей программированию устройств с обратной связью и работает над созданием этических стандартов для их использования. «После 20 лет отсутствия инноваций произошли выдающиеся инновации, — сказал он.

Инициатива BRAIN оказалась критической, сообщили STAT несколько исследователей. «Для нас это было настоящей находкой, — сказал Гросс. Инициатива NIH «Исследования мозга посредством продвижения инновационных нейротехнологий» (BRAIN) была запущена в 2013 году при администрации Обамы с бюджетом в 50 миллионов долларов. Сейчас BRAIN тратит более 500 миллионов долларов в год. По данным NIH, с момента своего создания BRAIN вручил более 1100 наград. Частью цели инициативы является объединение исследователей с медицинскими технологическими компаниями, которые предоставляют исследователям устройства для стимуляции человеческого уровня. По словам Ника Лангхальса, который возглавляет работу по неврологическим расстройствам в рамках этой инициативы, почти три десятка проектов были профинансированы в рамках партнерской программы исследователей и производителей устройств, а также в рамках одного проекта, посвященного новым имплантируемым устройствам для первого использования человеком.

Чем больше BRAIN вкладывает, тем больше исследований порождается. «Мы узнаем больше о том, какие схемы задействованы… что затем используется в новых и более инновационных проектах», — сказал он.

Многие проекты BRAIN все еще находятся на ранних стадиях, заканчивая регистрацию или небольшие технико-экономические обоснования, сказал Лангалс. По словам Лангалса, в течение следующих нескольких лет ученые начнут получать некоторые плоды своего труда, что может привести к более масштабным клиническим испытаниям или к компаниям, разрабатывающим более совершенные имплантаты для стимуляции мозга.

Деньги от Национальных институтов психического здоровья, а также программа NIH «Помогая избавиться от зависимости в долгосрочной перспективе» (HEAL) также повысили привлекательность стимуляции мозга как для исследователей, так и для промышленности. По словам Старра, «критическая масса» компаний, заинтересованных в технологии нейромодуляции, выросла как грибы после двух десятилетий.

Все больше и больше фармацевтических компаний и компаний, занимающихся цифровым здравоохранением, рассматривают устройства для стимуляции мозга «как возможные продукты для своего будущего», — сказала Линда Карпентер, директор клиники ТМС и исследовательского центра нейромодуляции в больнице Батлера.

«Психиатрия 3.0»

Опыт использования стимуляции мозга для остановки тремора и судорог вдохновил психиатров начать изучение ее использования в качестве потенциально мощной терапии для лечения или даже опережения психических заболеваний.

В 2008 году FDA одобрило ТМС для пациентов с большой депрессией, которые пробовали медикаментозную терапию, но не получили облегчения. «Это открыло дверь для всех нас», — сказал Хэнлон, профессор и научный сотрудник Центра исследований употребления психоактивных веществ и зависимости в Медицинской школе Уэйк Форест. В последнее десятилетие произошел всплеск исследований того, как можно использовать ТМС для перезагрузки неисправных мозговых цепей, связанных с тревогой, депрессией, обсессивно-компульсивным расстройством и другими состояниями.

«Мы определенно вступаем в то, что многие люди называют психиатрией 3.0», — сказал Уильямс из Стэнфорда. «В то время как первой итерацией был Фрейд и все такое, второй — бум психофармакологии, а эта третья — немного о цепях и стимуляции».

Лекарства облегчают симптомы у некоторых пациентов, одновременно не помогая многим другим, но психофармакология ясно показала, что «в этой проблеме определенно есть биология», сказал Уильямс — биология, которая в некоторых случаях может быть более поддающейся стимуляции мозга.

Точная механика того, что происходит между клетками, когда мозг замыкает… ну, короткое замыкание, неясен. Исследователи приближаются к обнаружению биомаркеров, которые предупреждают о надвигающемся депрессивном эпизоде, волне беспокойства или потере контроля над импульсами. Эти мозговые сигнатуры могут быть разными для каждого пациента. По словам Уильямса, если исследователи смогут найти молекулярные биомаркеры психических расстройств — и найти способы упредить эти симптомы, поражая определенные области мозга — это изменит область.

Специфичные для болезни маркеры не только помогут клиницистам диагностировать людей, но и помогут избавиться от стигмы, которая изображает психическое заболевание как личный или моральный недостаток, а не как болезнь. Это то, что произошло с эпилепсией в 1960-х годах, когда научные открытия подтолкнули широкую общественность к более глубокому пониманию того, почему случаются припадки, и, по словам Уильямса, это «та же траектория», которую он видит для депрессии.

Его исследования в Стэнфордской лаборатории также включают работу над суицидом и обсессивно-компульсивным расстройством, которое, по заявлению FDA в 2018 году, можно лечить с помощью неинвазивной ТМС. Уильямс считает мгновенную стимуляцию мозга потенциальным прорывом в неотложных психиатрических ситуациях. По его словам, врачи знают, что делать, когда пациента срочно доставляют в отделение неотложной помощи с сердечным приступом или инсультом, но неотложной помощи при неотложных психиатрических состояниях не существует. Уильямс задается вопросом: что, если в будущем суицидальный пациент сможет получить ТМС в отделении неотложной помощи и быстро вырваться из своей депрессивной психической спирали?

Исследователи также активно изучают биологию мозга при зависимости. В августе 2020 года FDA одобрило ТМС для отказа от курения, первое такое одобрение для расстройства, связанного с употреблением психоактивных веществ, что «действительно интересно», сказал Хэнлон. Хотя при сравнении расстройств, связанных с употреблением психоактивных веществ, есть некоторый нюанс, в целом зависимость определяется первичным механизмом: вечная конкуренция между функциями исполнительного контроля «сверху вниз» и тягой «снизу вверх». Это тот же самый процесс, который происходит, когда человек решает, съесть ли ему еще одно печенье или воздержаться, только усугубленный.

Хэнлон пытается выяснить, одинаковы ли схемы «стоп-и-иди» для всех людей и следует ли использовать нейромодуляцию для усиления контроля «сверху вниз» или для ослабления тяги «снизу вверх». Подобно тому, как стимуляция мозга может быть использована для устранения клеточных осечек, она также может быть инструментом для усиления полезных функций мозга или для того, чтобы дать зависимому мозгу то, что он хочет, чтобы обуздать употребление психоактивных веществ.

Имеющиеся данные свидетельствуют о том, что многие люди с шизофренией курят сигареты (главная причина ранней смерти среди этой группы населения), потому что никотин снижает «сверхсвязность», которая характеризует мозг людей с этим заболеванием, говорит Хизер Уорд, научный сотрудник бостонской Beth Israel Deaconess Medical. Центр. Она подозревает, что ТМС может имитировать этот эффект и, следовательно, уменьшить тягу к еде и некоторые симптомы болезни, и она надеется доказать это в пилотном исследовании, в котором сейчас участвуют пациенты.

Если научные данные подтвердятся, клиницисты говорят, что стимуляция мозга может использоваться наряду с поведенческой терапией и медикаментозной терапией для лечения расстройств, связанных с употреблением психоактивных веществ. «В конце концов, нам понадобятся все три, чтобы помочь людям оставаться трезвыми», — сказал Хэнлон. «Мы добавляем еще один инструмент в набор инструментов врача».

Расшифровка тайн боли

Благоприятный исход продолжающихся исследований, который широко распахнет двери для стимуляции мозга для пациентов с бесчисленным множеством заболеваний, далеко не гарантирован. Исследователи хронической боли знают это не понаслышке.

Хроническая боль, одно из самых загадочных и трудноизучаемых медицинских явлений, была первым применением, для которого Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов одобрило глубокую стимуляцию мозга, сказал Прасад Ширвалкар, доцент кафедры анестезиологии Калифорнийского университета в Сан-Франциско. Но когда через год исследования не увенчались успехом, FDA отозвало свое одобрение.

Ширвалкар работает со Старром и нейрохирургом Эдвардом Чангом над очень сложной проблемой: «расшифровка боли в состояниях мозга, которая никогда не делалась», как сказал Старр STAT.

Одна из трудностей изучения боли заключается в том, что нет объективного способа ее измерения. Многое из того, что мы знаем о боли, получено из рудиментарных опросов, в которых пациентов просят оценить, насколько они болят, по шкале от нуля до 10.

Используя имплантируемые устройства для стимуляции мозга, исследователи просят пациентов оценить их боль от 0 до 10, записывая циклы активности в головном мозге. Затем они используют машинное обучение, чтобы сравнить два потока информации и посмотреть, какая активность мозга коррелирует с субъективным ощущением боли пациентом. Имплантируемые устройства позволяют исследователям собирать данные в течение недель и месяцев, а не основывать выводы на небольших фрагментах информации, что позволяет проводить гораздо более подробный анализ.

Исследование UCSF сосредоточено на людях с хронической болью, потому что это не просто продолжение острой боли, сказал Ширвалкар. У этих пациентов метафорическая пожарная сигнализация, которая должна звонить только при пожаре, «сломана», и это происходит в мозгу. «Это почти как если бы мозг по умолчанию, когда что-то идет не так, создавал боль», — сказал он.

Большинство испытуемых в исследовании UCSF принимали опиоиды для снятия боли в течение пяти-десяти лет, сказал Ширвалкар, чья работа финансируется за счет гранта инициативы NIH HEAL. По его словам, нейромодуляция может быть способом вмешательства до того, как боль станет хронической, практически устраняя потребность в наркотиках у этих пациентов.

«Мы узнаем, что что-то происходит, когда люди получают травму или люди получают травмы. Что-то происходит с мозгом сразу после этого, до трех месяцев», — сказал он. «Если мы сможем каким-либо образом помочь людям справиться с болью на раннем этапе, мы сможем предотвратить зависимость».