Нейронная обратная связь

В 2010 году четырнадцать студентов, принимавших участие в исследовательском эксперименте в Германии, ежедневно приходили в лабораторию в течение пяти дней. Они сидели в электроэкранированной звуконепроницаемой комнате с шлемом ЭЭГ на голове, внимательно глядя на компьютерный экран с простым квадратом. Их цель заключалась в том, чтобы изменить цвет квадрата с серого на красный, не пользуясь ничем, кроме своего разума. Они не получили никаких конкретных инструкций о лучшей стратегии достижения этой вроде бы невероятной цели. Но они знали, что активность их мозга записывается и ее показатели используются для того, чтобы изменить цвет квадрата. Им также было известно, что красный цвет будет более насыщенным при сосредоточенности на специфическом ритме мозговой активности, а если они сосредоточатся на чем-то неправильном, то квадрат начнет синеть. Благодаря этому методу, известному как «тренировка нейронной обратной связи», участники с помощью проб и ошибок постепенно научились делать квадрат все более красным, и большинство из них называли «обращение к эмоциям» наилучшей стратегией для достижения цели. Поскольку насыщенность красного цвета была непосредственно связана с их мозговой активностью – в данном исследовании с альфа-ритмом, то в течение недели одиннадцать из четырнадцати студентов добились успеха в постепенном усилении своих альфа-ритмов. Что более интересно, к концу недели они также показывали лучшие результаты в решении задачи на когнитивный контроль (мысленное вращение объекта) по сравнению с контрольной группой. Более недавнее исследование показало, что тренировка альфа-ритмов с помощью нейронной обратной связи приводит к изменению нейронных сетей даже после одного получасового сеанса, причем степень изменений соответствовала уменьшению рассеянности при решении задачи на внимательность.

Принцип нейронной обратной связи, открытый в начале 1960-х годов, состоит в том, что за многими когнитивными процессами стоят нейронные ритмы, и поэтому, если научиться усиливать определенный ритм с помощью обратной связи, можно развивать когнитивные навыки, которые зависят от этого ритма. Такой подход является разновидностью интерфейса мозг/компьютер (BCI), позволяющего человеку добиваться сознательного контроля над мозговыми ритмами, в реальном времени получая информацию о том, каким образом модулируется активность мозга, когда он думает определенным образом. Запись нейронной активности обычно ведется с помощью ЭЭГ, хотя эта задача была успешно выполнена и с помощью других методов, таких как фМРТ и БИК-спектроскопия. Обратная связь обеспечивается через зрительные (а иногда слуховые) репрезентации степени активности мозгового ритма. Это часто происходит в контексте простой игры, интерактивно сообщающей об успешных или неудачных попытках игрока смещать отдельный ритм (или ритмы) в заданном направлении.

Клинические приложения принципа нейронной обратной связи уже давно находятся в центре внимания исследователей. Определенные, хотя и ограниченные, успехи были достигнуты при лечении СДВГ, аутизма, тревожности, депрессии и зависимостей. В более позднее время появился интерес к использованию нейронной обратной связи для оптимизации когнитивных показателей у здоровых людей. В ходе недавнего экспериментального исследования проводилась многократная тренировка нейронной обратной связи для усиления активности срединного тета-ритма (того самого вида активности мозга, который мы укрепляли у пожилых людей с помощью «Нейронного гонщика»). Исследователи продемонстрировали, что такая тренировка приводит к улучшению рабочей памяти и способности переключаться между задачами, а также к повышению результативности в когнитивных заданиях, которые специально не тренировались. Другое сходное исследование также выявило улучшение рабочей памяти и избирательного внимания у пожилых людей. Механизмы нейронной обратной связи только начинают проясняться, но, судя по всему, в дополнение к изменению нейронной активности происходят еще и структурные изменения серого и белого вещества мозга. Хотя нейронная обратная связь еще не может считаться надежным инструментом укрепления когнитивного контроля, накопленные свидетельства указывают на присутствие сигнала. Вероятно, какой-то вариант этого метода действительно окажется полезным для улучшения наших способностей контроля.

Стимуляция мозга

Здесь мы рассмотрим последний метод укрепления нашего рассеянного ума: непосредственную стимуляцию мозга электрическими и магнитными полями. Стимуляция мозга основана на предпосылке, что мы можем повлиять на его деятельность внешним (или внутренним) воздействием электрических и магнитных полей, потому что функционирование мозга основано на передаче электрических сигналов. Хотя этот метод кажется наиболее фантастическим из всех описанных, он существует уже более ста лет и становится популярным. Некоторые ученые полагают, что он еще нуждается в окончательном подтверждении прежде, чем выйдет за пределы научных лабораторий, но мы уже видим компании, продающие потребительские устройства для стимуляции мозга. Подход с более чем столетней историей наконец-то достиг совершеннолетия.

Хотя существует много видов электромагнитной стимуляции мозга (например, с помощью переменного тока, сильного и слабого магнитного поля или электрического белого шума), наиболее широко используемым методом для улучшения когнитивных способностей является микрополяризация (transcranial direct current stimulation, tDCS). Этот подход к стимуляции мозга триумфально появился на сцене после исследования двух немецких ученых, Ницше и Паулюса, которые в 2000 году убедительно доказали, что слабые электрические токи модифицируют нейронную восприимчивость коры мозга. В большинстве исследований микрополяризации, которые проводились с тех пор, участники получали импульсы силой в несколько миллиампер, пропускаемые через кожу головы (в 100-ваттной лампочке используется ток в 500 раз большей силы), как правило, исходившие от простого прибора напряжением 9 вольт, на батарейках. В зависимости от размещения электродов они либо усиливали, либо подавляли вероятность нейронных импульсов в подлежащих областях мозга. Было доказано, что этот эффект сохраняется какое-то время даже после отключения тока. Затем были проведены эксперименты для оценки влияния этой стимуляции на мышление и способность к обучению.

Исследователи годами изучали микрополяризацию как метод лечения неврологических и психиатрических расстройств, таких как депрессия, болезнь Паркинсона и инсульт, и добились впечатляющих успехов. Если будущие исследования продолжат показывать положительные результаты с минимальными побочными эффектами, то вполне возможно, что мы получим новый метод терапии, который назовут, например, «электротерапия мозга». Помимо клинического применения, существует большой интерес к микрополяризации в качестве инструмента для улучшения работы мозга здоровых людей. Есть свидетельства, что микрополяризация (как и другие виды стимуляции мозга) позитивно влияет на состояние рассеянного ума, улучшая базовые когнитивные способности внимания, рабочей памяти и управления задачами.

К примеру, в недавнем исследовании оценивалось воздействие микрополяризации области префронтальной коры на способность к устойчивому вниманию у девятнадцати военных, которые добровольно согласились на стимуляцию мозга в процессе компьютерной симуляции работы диспетчеров воздушного транспорта, определявших редкие цели в течение сорока минут. Данные показали, что по сравнению с контрольной группой, чье внимание с течением времени снижалось, экспериментальная группа продемонстрировала значительно более высокий уровень бдительности, сохраняя свою способность определять цели в течение всего сорокаминутного периода. Авторы истолковали результаты как указание на то, что «Микрополяризация хорошо нейтрализует ухудшение рабочих показателей в обстановке, требующей устойчивого внимания». Дополнив этот эксперимент отвлекающими факторами, сотрудники лаборатории Газзали недавно изучили воздействие микрополяризации на префронтальную кору в связи с многозадачными требованиями нашей игры «Нейронный гонщик». Мы обнаружили, что стимуляция приводит к улучшению результатов после одного сеанса, но только в многозадачном варианте игры.

В настоящее время растет интерес к использованию транскраниальной стимуляции переменным током в качестве инструмента для укрепления способностей когнитивного контроля. В отличие от стимуляции постоянным током (DC), использование переменного тока (AC) открывает возможность для целевой стимуляции различных мозговых частот, что, как мы надеемся, приведет к более избирательным результатам. Основная идея состоит в том, что частота используемого переменного тока может усилить такие же естественно возникающие частоты мозга, стоящие за способностями когнитивного контроля. Ранние исследования показали обнадеживающие результаты относительно усиления мозговых ритмов после окончания стимуляции и улучшения когнитивного контроля: например, емкости рабочей памяти. Но нужно провести еще много исследований для подтверждения этих эффектов и понимания их механизмов.

Если будущие исследования продолжат показывать положительные результаты с минимальными побочными эффектами, то вполне возможно, что мы получим новый метод терапии, который назовут, например, «электротерапия мозга». Помимо клинического применения, существует большой интерес к микрополяризации в качестве инструмента для улучшения работы мозга здоровых людей. Есть свидетельства, что микрополяризация (как и другие виды стимуляции мозга) позитивно влияет на состояние рассеянного ума, улучшая базовые когнитивные способности внимания, рабочей памяти и управления задачами.

В целом, есть много оснований для того, чтобы считать электрическую стимуляцию мозга многообещающим инструментом для улучшения наших когнитивных способностей и пользы для рассеянного ума, но в настоящее время они находятся на уровне сигнала. Нужно еще ответить на много важных вопросов, прежде чем объявить этот метод нормативным и рекомендуемым, не в меньшей мере из-за необходимости лучшего понимания долговременных побочных эффектов. Кроме того, могут быть и нежелательные последствия, такие как укрепление некоторых аспектов мышления за счет остальных.Этические вопросы, окружающие воздействие на личность человека, его независимость и индивидуальность, должны быть внимательно рассмотрены, прежде чем мы приступим к широкому внедрению новой технологии, которая может резко повысить функциональность мозга.