To hundre og trettifem år etter at den italienske forskeren Luigi Galvani rapporterte at frosne ben rykker som en reaksjon på en statisk ladning på en nerve, undersøker vi fortsatt mysteriene i det han kalte "animalsk elektrisitet", spesielt i hjernen. At hjernen genererer litt av sin egen strøm, som kan oppdages ved hjelp av et elektroencefalogram, eller EEG, er veletablert, det samme er det faktum at noen nevrokirurger i dag noen ganger bruker hårtynne elektroder for å stimulere dype hjernestrukturer og stoppe Parkinsons skjelving. Men forskere utforsker nå et spørsmål som vel, er overveldende: Kan lavspenningsdoser med elektrisitet, overført gjennom hår, hud og hodeskalle direkte til bestemte regioner i hjernen, gjøre allerede sunne mennesker skarpere og mer våkne?
Relaterte leser
Oppgrader hjernen din: Slik bruker du tDCS, Nootropics og mikrober for å revolusjonere din hjernefunksjon
KjøpeAron Barbey, en 39 år gammel nevrovitenskapsmann ved University of Illinois, er ledende innen denne forskningen, selv om han er uutholdelig forsiktig med hensyn til utsiktene. Han motstår tanken om at morgendagens kjøpesentre og flyplasser vil inneholde kommersielle hjerneladdestasjoner, oppdaterte versjoner av dagens massasjestopp, men hvis den fremtiden (eller noe lignende) kommer til å skje, vil arbeidet hans ha spilt en kritisk rolle i å bringe det til . Barbey er direktør for UIs Decision Neuroscience Laboratory ved universitetets Beckman Institute for Advanced Science and Technology, og eksperimentene hans ser ut til å peke på en tid da studenter, soldater, ledere og eldre alle kunne ha nytte av en behandling som kalles transkraniell likestrøm stimulering (tDCS).
I et vindu uten rom på Wright-Patterson flyvåpenbase, nær Dayton, Ohio, ser jeg John McIntire, en 33 år gammel sivil frivillig, motta tDCS. Han sitter ved en datamaskin og klikker på en serie bittesmå blinkende lys, en gasbind-bandasje pakket inn under haken og over toppen av hodet. Bandasjen holder en liten klynge elektroder på plass på oversiden av hodet. Det er en annen klynge av elektroder på den øvre høyre armen. Ledninger fra en liten blå boks på skrivebordet har en svak elektrisk ladning som strømmer fra boksen til elektrodene på hodet og ned gjennom hjernen til elektrodene på armen. Forskere mener strømmen treffer noen viktige områder i hans hjerne, inkludert locus coeruleus, som frigjør norepinefrin og er involvert i oppmerksomhet og våkenhet.
"Jeg har det bra, " sier McIntire på slutten av den 30 minutter lange økten. Opplevde han noen fysiske sensasjoner da strømmen gikk gjennom hjernen? “Nei, ” sier han, “Jeg kan faktisk ikke se om jeg mottar behandlingen eller ikke.” Fordi det er en dobbeltblind studie, får noen forsøkspersoner svindel tDCS, uten strøm. (McIntire fikk den virkelige tingen.) Forskere sier at de ikke har sett betydelige bivirkninger, bare noen hudfølsomhet fra elektrodene. Noen personer som får tDCS rapporterer hodepine etterpå, men det gjør også noen av dem som får svindelbehandlinger.
Den pågående studien ved Wright-Patterson er et samarbeid mellom Barbeys gruppe og Air Force Research Laboratory (AFRL). Det er bare ett av mange eksperimenter Barbey har lansert med store forskningspartnere. "Målet vårt, " sier han, "er å forstå de nevrale mekanismene som ligger til grunn for menneskelig intelligens og beslutningstaking - hvordan intelligens og beslutningsprosesser blir implementert i hjernen, og deretter bruke denne kunnskapen til å utvikle disse nye inngrepene."
Det er ikke vanskelig å forstå hvorfor flyvåpenet ville være interessert i hva Barbey har å tilby. Mange av personellene bruker opptil 12 timer om dagen, seks dager i uken, på å se på bilder av overvåkningsbilder og prøve å identifisere dronemerkene sine. Forskning viser at resultatene begynner å avta etter bare 20 minutter på vakt. "Manglende mål i virkelige kampsituasjoner er en stor sak, fordi det kan koste noen livet deres, " sier Andy McKinley, en AFRL nevrovitenskapsmann. "Og vi tror tDCS kan være et verktøy for å hjelpe analytikerne, når de begynner å bli trette, til å opprettholde ytelsen."
Abonner på Smithsonian magasin nå for bare $ 12
Denne artikkelen er et utvalg fra mai-utgaven av Smithsonian magazine
KjøpeSå langt har funnene vært lovende. I en serie studier publisert siden 2013 i NeuroImage, Brain Stimulation og andre tidsskrifter, ble tDCS alene vist å redusere tretthet og forbedre eller bevare ytelsen. Tjenestemedlemmer som mottok strømmen om morgenen var langt mer våken og årvåken enn kontrollpersoner da de ble testet på sen ettermiddag. Behandlingen så ut til å forbedre humøret og energinivået. McKinley, som har jobbet med tDCS siden 2007, sier effekten av en 30-minutters tDCS-dose på to milliamper om morgenen "varer hele dagen." (Til sammenligning inkluderer moderne elektrokonvulsive terapibehandlinger opptil 900 milliamper.) en relatert, men ennå ikke publisert AFRL-søvnmangelundersøkelse, ble forsøkspersoner holdt våken i 21 timer, deretter gitt enten koffein, skam-tDCS eller faktisk tDCS før de fortsatte sine oppgaver i opptil 15 timer. Medlemmer av den tredje gruppen skrøt to ganger av nøyaktigheten i å finne mål for de to andre gruppene. De rapporterte også høyere subjektivt humørscore og sa at tDCS fikk dem til å føle seg uthvilt.
Protokollen Barbey har designet kombinerer tDCS, ernæring og kognitiv og fysisk trening i et omfattende regime med potensial til å forbedre alt fra matematikkferdigheter til abstrakte resonnementer. Gjennom sitt arbeid undersøker han menneskets sinns natur og struktur, og i prosessen spør han hva det egentlig betyr å være smart.
**********
Det var hans arbeid med en annen generasjon tjenestemedlemmer som lærte Barbey vanskelighetene med den menneskelige hjernen. Mellom 2007 og 2011 var han stipendiat ved National Institutes of Health, og studerte en gruppe Vietnam-veteraner som hadde fått hjerne traumer. Skadene hadde blitt forårsaket av lavhastighets granater og kulesår - det var begrenset til diskrete områder, noe som betydde at de fleste av deres kognitive funksjoner ble bevart. Plassering og størrelse på sårene deres forårsaket forskjellige mangler, inkludert problemer med hukommelse, språk og med høyere kognitive funksjoner som planlegging og problemløsning.
Ved hjelp av en prosess kalt lesjonskartlegging samlet Barbey diagnostiske bilder av veteranenes hjerner og matchet mennenes skadede anatomi til deres dokumenterte problemer. Resultatet var et hjerneatlas som gjorde det mulig å knytte spesifikke kognitive funksjoner til deres underliggende nevrale nettverk.
John McIntire, en 33 år gammel ingeniørforskningspsykolog, melder seg frivillig for transkraniell likestrømsstimulering ved Wright-Patterson Air Force Base. (Lynn Johnson) 
TDCS-eksperimentene innebærer å feste elektroder til hodet og overføre lavspente doser med elektrisitet som den menneskelige personen ikke kan føle. (Lynn Johnson) 
McIntire forbereder seg på tDCS. (Lynn Johnson) 
En forskningsdeltaker ved University of Illinois gjør seg klar til å gå inn på en MR-maskin. Forskere bruker disse dataene til å analysere hjernestrukturen og funksjonen til personer som mottar tDCS. (Lynn Johnson) 
Behandlingen er designet for å forbedre ytelsen på en spesifikk oppgave. Her bruker studentens forskningsfag nettbrett for å fullføre et kognitivt opplæringsprogram som lavstrømskurs i elektrisk strøm gjennom hjernen. (Lynn Johnson) 
Nevrovitenskapsmann Aron Barbey motstår ideen om hjerneladdestasjoner på kjøpesentre og flyplasser. Faktisk vil han helst ikke spekulere i slike ting. (Lynn Johnson) 
Barbey tar en meditasjonspause. I tråd med sin helhetlige tilnærming til hjernen tar han seg tid til å meditere hver dag og synes det er spesielt nyttig for å håndtere jobbrelaterte belastninger, for eksempel å navigere i tilskuddsforslag. (Lynn Johnson) 
Terry Brann blir fanget i tester for hvordan kondisjon forbedrer hjernen. (Lynn Johnson) 
Ernæring og kognitive øvelser er også en del av Barbeys protokoll. (Lynn Johnson) 
Forskere avgrenser en studie om kondisjon og hjernen. Luftforsvarets medlemmer gjør gode fag fordi de er fysisk i form. (Lynn Johnson) 
Luftforsvaret er interessert i Barbeys eksperimenter fordi personell opptatt av dataskjermer kan miste fokus og bli utmattet. (Lynn Johnson) 
Da han samlet diagnosebilder fra Vietnam-veteraner som hadde fått hjerne traumer, fant Barbey opplevelsen "utrolig dypt." (Lynn Johnson) Basert på den kunnskapen, fortsatte Barbey, med forskjellige medforfattere, å publisere en formidabel serie med papirer som identifiserte hjernenettverk for generell intelligens, emosjonell intelligens, kognitiv fleksibilitet, arbeidsminne og mer. I det som kan betraktes som hans lesjonskartlegging-mesterverk, publisert i tidsskriftet Brain i april 2012, la Barbey og kollegene ambisiøst ut en arkitektur for generell intelligens og utøvende funksjon - kompleks, målrettet atferd som involverer vidt distribuerte deler av hjernen, inkludert den prefrontale cortex. Denne studien, en av de største og mest omfattende vurderingene av sitt slag utført til dags dato, involverte 182 Vietnamveteraner og konkluderte med at intelligens “gjenspeiler evnen til å effektivt integrere verbale, romlige, motoriske og utøvende prosesser via et omskrevet sett av kortikale forbindelser.” Barbey og teamet hans var i stand til å finne mange av disse forbindelsene og beskrive hvordan de fungerte.
Barbeys erfaring med veteranene etterlot ham med mye mer enn en imponerende CV. "Det var utrolig dypt, " sier Barbey, som nå fungerer som redaktør eller styremedlem ved fire tidsskrifter, inkludert Frontiers in Neuroscience . ”Vi bruker hele tiden på å utvikle disse teoriene og tenke på menneskets sinnes natur og jobber virkelig hardt for å prøve å forstå funksjonen til disse hjernenettverkene. Og det blir dette veldig vitenskapelige, veldig tekniske foretaket. Men når du først har arbeidet med individer, jobber med pasienter, med Vietnam-veteraner, blir det øyeblikkelig klart at det er denne veldig viktige saken som står på spill. Og det handler egentlig om å forbedre livskvaliteten og finne løsninger på disse veldig harde problemene de står overfor. ”
Hjernens irriterende kompleksitet er den største hindringen for å løse slike problemer. Eller slik vil det virke. Men den veldig kompleksiteten gjør det også mulig for vitenskap å forbedre ytelsen på et bredt spekter av oppgaver - så lenge forskere vet hvilke nettverk de skal målrette mot. Stimulering av de riktige nettverkene, sier Barbey, avhenger av å vite hvilke som er involvert i en gitt oppgave og å kunne målrette de nettverkene til riktig dose og varighet. “Så hvordan vet vi om vi stimulerer de riktige strukturer?” Spør han. “Det kommer an på oppgaven. Oppgaven er kritisk. ”
I den lange skyggen av alt vi ikke vet om hjernen, kaster tDCS nytt lys over hvordan det fungerer. Neuroner er mediene for elektrisk aktivitet i hjernen, men som Barbey påpeker, "det er som 100 milliarder av dem, og de har mange egenskaper som unngår oss." Barbeys forskning fokuserer på menneskelig intelligens og beslutninger. Etterretning, sier han, kommer frem fra samspillet mellom flere hjernenettverk, inkludert det sentrale utøvende nettverket, et distribuert nevralt system (et slags 3D-edderkoppnett) som er kjent for å støtte funksjoner som planlegging, problemløsning, skjønn og beslutningstaking.
I et typisk tDCS-eksperiment som retter seg mot det sentrale utøvende nettverk, arrangerer Barbey elektrodene for å sende strømmen gjennom frontal- og parietalobene mens fagene sine utfører en datamaskinbasert oppgave. I en slik test, kalt n-back-oppgaven, blir deltakerne vist bokstaver og må huske om de samsvarer med bokstaver de så tidligere.
Barbey sier at den elektriske strømmen øker spennende nervene til nevronene som er involvert i oppgaven, noe som gjør dem mer sannsynlig å fyre og styrke de synaptiske forbindelsene mellom dem. "Neuroner som skyter sammen tråder sammen, " sier Barbey og siterer et aksiom av den legendariske kanadiske psykologen Donald Hebb. I en artikkel fra september 2015 rapporterte AFRL-forskeren Ryan Jankord og kollegene at 30 minutter med tDCS i rotter “induserte en kraftig forbedring” av forbindelsene mellom celler i hippocampus som er kritiske for læring og minne.
Hos mennesker ser det ut til at tDCS rekrutterer flere nevroner som ikke opprinnelig var involvert i en oppgave, og skaper det Barbey kaller undernettverk som forbedrer ytelsen. Men det er ingenting som i seg selv er gunstig med å øke nevrons eksitabilitet, legger han til. "Det er bare effektivt under spesifikke forhold, der du leverer elektrisk strøm til regioner som er involvert i oppgaven." Dette er en sentral del av hvordan han administrerer tDCS: Motivet må aktivt bruke delene av hjernen det gjelder. Allikevel forsiktig, understreker Barbey imidlertid at "de underliggende biofysiske mekanismene ikke er godt karakterisert." Med andre ord er forskere ikke helt sikre på hvorfor tDCS gjør det den gjør.
Noen har stilt spørsmål ved om det i det hele tatt gjør noe. I januar 2015 publiserte den Australia-baserte forskeren Jared Horvath og to av hans kolleger en analyse av mer enn 200 tDCS-studier. Deres konklusjon: "Vår kvantitative gjennomgang støtter ikke ideen om at tDCS genererer en pålitelig effekt på kognisjon hos friske voksne." Oppgaven satte igang en kontrovers, med forsvarere av tDCS som stilte spørsmål ved Horvaths metoder - han utelukket mer enn 170 studier hvis resultater ikke hadde blitt replikert av minst ett annet laboratorium. Barbey tar Horvaths synspunkt og bemerker at selv om tDCS har blitt mye undersøkt, har entusiasme for det "overgått mekanistiske teorier" om hvordan det fungerer. Disse kunnskapshullene, sier han, forsinker utviklingen av mer effektive protokoller og gir et mangfold av funn som ikke kan forklares, og gir seg kritikk som Horvaths.
"Folk har prøvd å endre bevisstheten helt siden de innså at de hadde bevissthet, " sier Jonathan D. Moreno, professor i medisinsk etikk og helsepolitikk ved University of Pennsylvania's Perelman School of Medicine. Moreno sier at han er overveldet av fremgangen på tDCS-feltet så langt. "Jeg tror bare vi er så mye i skogen på dette fremdeles, og det vil vi være i lang tid, " sier han. “Det kommer an på hvem du prøver å forbedre, og for hva. Du kan aldri få meg til å være Einstein og Einstein trenger sannsynligvis ikke mye forbedring. ”
Han er mindre skeptisk til terapeutisk bruk av tDCS for å gjenopprette en viss grad av normal funksjon hos personer med visse lidelser. "Terapi ser ut til å være mer gjennomførbar enn forbedring, " sier han. Flere studier de siste årene har vist at de kan ha potensial som en effektiv behandling mot større depresjoner, posttraumatisk stresslidelse og andre nevropsykiatriske problemer. Det har også vist løfte for Alzheimers og hjerneslagpasienter under ordminne- og bildegjenkjenningsoppgaver. Og en studie fra 2014 fant at tDCS forbedret språkopplæringen, noe som antydet potensialet som en behandling for språkunderskuddene forårsaket av hjerneslag. Luftforsvarets forskning, som ikke er relatert til kliniske lidelser, kan peke på en annen potensiell fordel med terapeutisk tDCS: Team av forskere i Tyskland, Brasil og USA har funnet at to uker med daglig tDCS kan resultere i uker eller til og med måneder med forbedret ytelse på en veldig spesifikk oppgave. "Det ser ut som om du gjør varige endringer i nevrale forbindelser i hjernen, " sier McKinley.
Et 42-måneders prosjekt kalt Insight kan gi mer konkrete svar. Barbeys laboratorium lanserte programmet i 2014, med 12, 7 millioner dollar i finansiering fra Office of the Director of National Intelligence. Det er en av de største studiene noensinne om evnen til å resonnere under nye forhold. Regjeringens uttalte mål er å forbedre den adaptive resonnement og problemløsingsevnen til etterretningspersonell. Under Barbeys tilsyn mottar 1000 sunne frivillige mellom 18 og 44 år (mange av dem fra University of Illinois studenter) doser av tDCS mens de utfører kognitive treningsøvelser som tester disse ferdighetene. Men det er bare en del av protokollen: De gjennomgår også treningssamlinger, og diettene og ernæringshelsen deres blir overvåket.
Trening kan virke lavteknologisk sammenlignet med tDCS. Men Barbey er like interessert i svettekraften som i potensialet til elektrisitet. Han er involvert i et eget prosjekt med Luftforsvaret og fokuserer på en intensiv intervalltrening. Trening på egenhånd har allerede vist seg minst like effektive som tDCS for å styrke kognitiv ytelse. Selv om Barbey sier at den endelige kliniske studien gjenstår å gjøre, viser mer enn 40 års forskning en økning i gråstoffvolumet blant aerobt fit eldre voksne, samt 40 prosent redusert risiko for kognitiv nedgang blant de som trener regelmessig. Alzheimers pasienter som deltar i akutte treningsprogrammer har økt hjerneavledet nevrotrofisk faktor, et protein som fremmer helse og vekst av hjerneceller.
I følge Barbey har trening en spesielt imponerende effekt på de utøvende funksjonene. "Hvis vi skulle gå utenfor akkurat nå og løpe i full fart helt ned til enden av gaten og deretter løpe i full fart helt tilbake, " sier Barbey, "da vi satte oss her for å fortsette samtalen, ville vi være mer oppmerksomme, hukommelsen vår vil bli forbedret, vi ville ha bedre funksjonskontrollfunksjoner, og disse effektene vil vare i omtrent 20 til 30 minutter. "
Barbey ønsker også å forstå effekten av ernæring på hjernehelse og kognisjon. "Vi vet at hvis du vil være en idrettsutøver, må du spise bestemte ting og delta i bestemte typer fysisk aktivitet, " sier han. “Den ernæringen fungerer også på hjernen.” Fagene i flyvåpenprosjektet hans tar et spesielt supplement laget av Barbeys laboratorium i samarbeid med Abbott Nutrition. Formelen er proprietær, men Barbey sier at den inneholder ingredienser for å fremme muskelstyrke, kardiovaskulær helse og aerob kondisjon, samt hjernehelse. "I tillegg til det har vi spesifikke ernæringsprofiler som vi antar, spiller en viktig rolle i å styrke hjernehelsen og den kognitive evnen, " sier han. Kort sagt, Barbey mener at trening og ernæring kan gi varige, helhetlige fordeler som bare stimulerer bestemte hjernenettverk sannsynligvis aldri vil kunne gi.
Fortsatt er tDCS det mest eksotiske av intervensjonene. Det er fristende å anta at flere behandlingsøkter kan øke generell intelligens, i stedet for bare å forbedre ytelsen på oppgaven. Men Barbey har ikke funnet noen bevis for at tDCS kan gjøre en person smartere over hele linjen. "Svaret ser ut til å være nei, " sier han.
Det er en av grunnene til at han ser for seg en fremtid der folk vil bruke målrettede tDCS sammen med livsstilsendringer: sistnevnte vil forbedre sin generelle helse og mentale ytelse, mens den førstnevnte vil styrke spesifikke kognitive evner. Slik Barbey ser det, vil pakken med intervensjoner avhenge av individets mål. Et emne vil kanskje ha forbedret arbeidsminne, for eksempel, og trenger å forbedre de involverte hjernenettverkene. "Evnen til å utvikle et skreddersydd inngrep avhenger av å forstå de underliggende mekanismene, " sier Barbey. "Hvis vi ikke forstår mekanismene, kan vi absolutt ikke oppnå skreddersøm."
Men Barbey vet at arbeidet hans mater en alternativ fremtidssyn, der mennesker i alle slags private og kommersielle omgivelser rutinemessig kan sette seg ned for hjerneladende økter. Han vil helst ikke spekulere i slike ting, men da han ble bedt om hvorvidt denne modellen kan eksistere 50 år fra nå - en slags LensCrafters for hjernen - sier han, "Forutsatt at vi er på rett vei, forutsatt at tDCS faktisk kan produsere robuste forbedringer, så ja. ”Så vender han raskt tilbake til dagens virkelighet. "Men vi lærer fortsatt om disse metodene, og vi kjører fortsatt eksperimenter for å evaluere effektiviteten deres. Så det er fremdeles for tidlig. Og det er det som skjer med kommersialisme. De går altfor fort. ”Barbey har et svakt overblikk over den kommersielle hjernetreningsbransjen og vil ikke at folk skal klumpe seg inn i arbeidet med tilbudene. Millioner av smarttelefonbrukere har for eksempel lastet ned spill som Lumosity, som hevder å forbedre minnet betydelig. "Det er absolutt bevis som tyder på at hvis du spiller et arbeidsminnespill, vil du bli bedre på det arbeidsminnespillet, " sier han. "Det som er mindre klart, er om det har noen annen innvirkning." (Barbeys skepsis ble forsterket i januar, da Lumosity gikk med på å betale to millioner dollar for å avgjøre føderale anklager om villedende reklame for å hevde at produktet kunne redusere den kognitive tilbakegangen. En dom på 50 millioner dollar ble suspendert fordi selskapet ikke hadde pengene.)
Barbey insisterer på at det ikke er snarveier i nevrovitenskapen. Minst to kommersielle tDCS-enheter, Halo og Thync, er for øyeblikket tilgjengelige, men han frykter forslaget om at det er mulig å bli smartere ved bare å snu en bryter eller spille et spill. "Vi må virkelig ta den harde veien, " sier han. For Barbey krever hjernen intet mindre.
