Новые горизонты tDCS: как повысить скорость обучения при помощи стимуляции мозга

Одно из самых сложных заданий во время обучения военных, управляющих беспилотными самолетами — найти цель на неясной картинке, подаваемой радаром. Научить этому пилотов – основная проблема на этапе внедрения нового оружия.

D82B8F79-765E-4CFE-82B6F76870ABF0BB_article

Поэтому научные сотрудники Военных сил США были чрезвычайно рады, узнав, что могут сократить сроки обучения в два раза. Это стало возможно благодаря электрической стимуляции, при которой ток силой 2 мА в течение 30 минут пропускается через мозг пилотов, проходящих тренировки на видео-симуляторах. Ток поступает через электроды, которые располагают на поверхности головы. Биомедицинский инженер Энди Мак-Кинли и его коллеги по лаборатории (база в городе Райт-Пэттерсон) заявили об этом открытии на ежегодной встрече Общества Нейронауки .

«Я не знаю ничего, что могло бы сравниться с этой технологией», — говорит Мак-Кинли, сравнивая эффекты tDCS и кофеина или других стимуляторов, которые изучали на предмет улучшения обучения. Транскраниальная стимуляция не только ускоряла обучение, но и позволяла продлить точность выполнения задания до 40 минут (обычно же, точность в выявлении угрозы начинает неуклонно падать через 20 минут  тренировки).

7D03B17B-9074-429E-80305389167BA5D4_article

Разведовательно-ударный беспилотный самолет-дрон MQ-9 Reaper, находящийся на вооружении ВВС США

Помимо использования в обучении пилотов, tDCS может применяться в военном деле и для медицинских целей. Например, для ускорения переподготовки и восстановления после травм или болезней мозга.

Изучение терапевтических эффектов электрической стимуляции началось ещё в XIX веке. Однако в то время мода на электротерапию была как среди профессиональных докторов, увлеченных новыми веяниями, так и среди обычных шарлатанов. Импульсы тока применяли для лечения широкого круга проблем, начиная бессонницей и заканчивая раком матки. Скорее всего, в опытах тех лет сработал эффект плацебо; однако и в наше времея нет окончательных оснований для скептиков полностью исключать его роль в экспериментах с tDCS.

Участники экспериментов определённо испытывают ощущения от стимуляции. «Напоминает лёгкую щекотку или слабые покалывания», — говорит студентка Лорен Буллард, одна из участниц исследования влияния tDCS на обучение. «А после я чувствовала себя немного встревоженной». Но почему?

Буллард c коллегами пытались зафиксировать какие-нибудь изменения в работе мозга после tDCS, которые бы объяснили причину улучшения обучаемости. Учёные вели наблюдения как функциональных изменений мозга (изменения волновой активности), так и физических (показания МРТ). Испытуемых подвергали tDCS и в то же время воздействовали на их органы чувств (звук, прикосновения или свет). Вызванные магнитные поля фиксировались при помощи магнитной энцефалографии. Оказалось, что tDCS привела к шестикратному увеличению амплитуды мозговых волн в случае стимуляции сенсорного нервного окончания в руке. Однако подобные изменения не были зафиксированы, когда участники подвергались действию псевдо-tDCS, вызывавшей те же ощущения в теле, но не оказывавшей никакого заметного эффекта на работу мозга. А эффект от настоящей tDCS сохранялся в течение долгого времени после прекращения процедуры. Амплитуда волн, вызванных воздействием на органы чувств, оставалась в 2,5 раза больше даже через 50 минут после завершения tDCS. Результаты свидетельствуют в пользу того, что tDCS усиливает возбудимость коры головного мозга, и тем самым увеличивает возбуждение нейронов, реакцию на сенсорные стимулы и ускоряет обработку информации.

Удивительно, что показания МРТ свидетельствовали об изменениях нервной системы и через пять дней после применения tDCS. Нейроны коры головного мозга взаимодействуют друг с другом посредством отростков (аксонов), которые собираются в пучки в области белого вещества. Было показано, что после tDCS контакты между нервными клетками становились более плотными и высокоорганизованными. В другой же части мозга — той, на которую не воздействовали током, изменений не было.

Структурные изменения, обнаруженные с помощью диффузионной МРТ, могут быть вызваны микроскопическими изменениями на физическом или клеточном уровне, но определить это без анализа нервной ткани под микроскопом невозможно.

MRI-DTIBrain-9223

Трехмерное изображение мозга, полученное при помощи диффузионной МРТ

Эксперт в области томографии, Роберт Тёрнер с факультета нейрофизики Института нейробиологии и когнитивных наук им. М.Планка (Лейпциг, Германия) полагает, что изменения, зафиксированные при помощи МРТ, могут отражать увеличение изоляции нервных волокон (увеличение слоя миелина) и, как следствие, ускорение передачи информации по волокнам. «Из всех гипотез, объясняющих наблюдаемые быстрые изменения в нервной системе, для меня более убедительна эта. Находящиеся в белом веществе отростки нейронов, которые ранее не были покрыты миелином, быстро приобретают миелиновую оболочку в связи с частой генерацией потенциалов действия». Тернер, однако, предупреждает, что существуют и другие возможные объяснения.

neuron_structure_600

Схема строения нейрона

Маттиас Витковски, сотрудник Института Медицины, Психологии и Поведенческой Нейробиологии Университета Тюбингена (Германия), считает быстрые изменения, происходящие в белом веществе, чем-то удивительным и невероятным. «Я бы никогда не подумал, что дело в изменении структуры белого вещества, — говорит он. — Будет очень интересно посмотреть, нет ли изменений и на клеточном уровне».

Этими вопросами займутся в своём следующем исследовании д-р Юнг и его коллеги. Они надеются получить образцы клеток пациентов, которые согласятся пройти tDCS перед операцией, во время которой будет извлечен участок мозговой ткани.

Витковски убеждён, что подобные исследования, показывающие, что tDCS ускоряет обучение, а также его последняя работа о воздействии электростимулирующих приборов на мозг, обладают огромным потенциалом для сокращения периода реабилитации после травм. TDCS может помочь людям с парализованными конечностями управлять протезами. Так, электроды улавливают волны, производимые мозгом человека, когда он представляет, что шевелит рукой. Затем волны анализируются компьютером, который управляет протезом. Однако только для того, чтобы человек научился производить волны, которые бы правильно управляли движениями его протезов (то есть представлять, что двигает рукой или ногой правильным образом) требует очень много тренировок. Витковски обнаружил, что пациенты, которые ежедневно подвергались 20-минутной tDCS в течение 5-ти дней, учились контролировать протезы гораздо быстрее.

Новые исследования, о которых шла речь на встрече, показали, что эффективность tDCS в ускорении обучения, не может быть объяснена только эффектом плацебо. Очевидно, что tDCS производит изменения в структуре мозга, как на физическом, так и на физиологическом уровнях. TDCS повышает возбудимость коры головного мозга, которую можно измерить, фиксируя волновые показатели мозга, а также изменяет структуру нейронных контактов, что можно обнаружить при помощи МРТ. Применяя электричество для улучшения работы нейронов в коре головного мозга, исследователи надеются получить уникальное, не имеющее побочных эффектов, средство ускорения обучаемости.

По материалам Ричарда А. Мак-Кинли, ВВС США

Similar posts
  • Немецкие ученые обнаружили, что tDCS ... Еще со школы нам твердят, как важно знать иностранные языки. Без английского сложно построить карьеру: на нем ведется переписка с зарубежными партнерами, его используют для переговоров в заграничных командировках, большинство книг и научных статей написаны на этом международном языке. Полезно знать английский и для расширения кругозора – можно наслаждаться любимыми фильмами в оригинальной озвучке, не [...]
  • Стимуляция мозговой деятельности у де... Воздействие на развивающийся мозг сулит большие возможности для улучшения его работы, но, в то же время, связано с определенным риском. Обучение в школе давалось Джеку с огромным трудом. Он не мог осилить чтение и арифметику, страдал от апраксии (неспособности выполнять сложные действия), а также – плохо себя вел и подвергался насмешкам всего класса. Поэтому родители [...]
  • Хакинг мозга приводит к невероятным р... Электрический заряд может ввести вас в состояние, в котором вы вдвое быстрее освоите новый навык, решите проблемы, которые ставили вас в тупик в течение нескольких часов, или даже выиграете в состязании на меткость. И это только верхушка айсберга! Понимание работы головного мозга улучшается с каждым днем, и кажется, не за горами то время, когда эти [...]
  • Военные исследования доказали: стимул... Служить в армии – это не игрушки. Хотя…   Первое, что вы должны запомнить – не рекомендуется проводить это дома самостоятельно. Итак, можете забыть об энергетических напитках! Последние научные исследования показали, что электричество, пропущенное сквозь поверхность головы, может заострить ваш ум и улучшить игровые навыки. В исследовании, которое финансировало американское агентство передовых оборонных исследовательских проектов [...]
  • Стимуляция током – новый способ лечен... Канадские ученые подошли вплотную к созданию новой терапии депрессии у беременных женщин. Она обещает быть не только эффективной, но и совершенно безопасной для развития ребенка. Впервые в мире учеными Женского Колледжа и больниц горы Синай, а также Центра Наркомании и Умственного Здоровья Торонто изучается применение мягких форм стимуляции мозга (в первую очередь, tDCS — транскраниальной [...]