Биохакинг мозга: куда располагать электроды, чтобы стать умнее?

Сейчас в поле зрения общественного внимания попадает всё больше исследований tDCS – транскраниальной стимуляции постоянным током. Довольно большое количество научных работ последних лет демонстрируют, что tDCS может улучшать когнитивные способности не только при лечении болезней, но и у совершенно здоровых людей. Среди них – реакция, внимание, память и обучение иностранным языкам. Успехи научных исследований привлекли внимание DIY сообщества, которое взяло технологию на вооружение и стало активно применять tDCS на себе.

Однако ключевой момент для проведения электростимуляции – это правильный выбор мест прикрепления электродов к голове. Ведь стимуляция различных зон мозга приводит к принципиально разным когнитивным эффектам – в зависимости от функций этих областей. Поэтому я решил разобраться в научных статьях и выяснить, стимуляция каких зон действительно приводит к ощутимым когнитивным улучшениям и какие подводные камни здесь могут быть.

TDCS — транскраниальная стимуляция постоянным током — работает следующим образом. К определенным областям головы прикрепляются два электрода – положительно заряженный анод и отрицательно заряженный катод. Анод воздействует на нейроны коры возбуждающе, уменьшая разницу потенциалов на их мембранах. В масштабах головного мозга такое воздействие приводит к локальному увеличению активности той зоны, над которой он расположен. Однако сейчас появляются исследования, демонстрирующие, что действие tDCS более широкомасштабно и затрагивает некоторые другие зоны мозга, функционально связанные со стимулируемой областью. В случае катода, возбудимость нейронов, наоборот, снижается.

На сегодняшний день проведено уже несколько тысяч научных исследований tDCS, среди которых около 500-600 — на здоровых добровольцах. Параметры стимуляции в них очень сходные, осуществляется воздействие постоянным током силой 1-2 миллиампера по 20-30 минут в день, от 1ого до 10 дней подряд. Однако что касается областей мозга, на которые осуществляется воздействие, то здесь существует очень большое разнообразие вариантов, в котором поначалу просто теряешься. Поэтому была поставлена задача найти зоны мозга, электростимуляция которых приводила бы к достоверным когнитивным улучшениям, повторенным в нескольких научных исследованиях.

Для начала я решил прокомментировать несколько областей расположения электродов, наиболее популярных среди представителей DIY комьюнити. За основу я взял зоны, подготовленные российским стартапом Brainstorm.

Номер 1. Расположение электродов «DARPA» – для улучшения реакции и концентрации внимания


При расположении элетродов «DARPA» анод (возбуждающий электрод) прикладывается к правому виску, а катод (ингибирующий электрод) – к левому плечу. Электростимуляцию этой области впервые провело американское оборонное агентство DARPA для того, чтобы ускорить обучение военных перед отправкой в горячие точки. О своих результатах ученые впервые рассказали в 2008 году на конференции «Operational neuroscience — Intelligence community forum», где произвели фурор, показав, что tDCS ускорила обучение добровольцев в 2,1 раза! А через 4 года вышла научная статья с детальным описанием результатов их исследований.

Эксперимент проводился на 96 здоровых добровольцах, проходивших обучение на видео-симуляторе «DARWARS Ambush!». Это игра, специально разработанная для подготовки американских пехотинцев и требующая высокой концентрации внимания и реакции. Участники гуляют по виртуальным пейзажам и обнаруживают опасность среди полуразрушенных домов и заброшенных машин, а также ищут взрывные устройства и боевиков противника. Во время обучения часть людей подвергалась стимуляции слабым током, а у людей из плацебо группы tDCS имитировали так, что они не сомневались, что тоже проходят стимуляцию.

Результаты эксперимента оказались впечатляющими: tDCS сократила время тренировок, которое требуется новичку, чтобы стать профессионалом, в 2,1 раза (это просто огромный эффект, в сравнении с обычными биологическими воздействиями). И, что немаловажно, люди, проходившие tDCS, гораздо медленнее теряли навыки по сравнению с контрольной группой.

Интересно, что для того, чтобы выбрать зону для стимуляции, ученые изучили паттерны активации мозга у новичков и профессионалов при помощи функционального МРТ. Оказалось, что во время выполнения задания у новичков происходит возбуждение самых разных отделов мозга, в то время как у профессионалов активируется строго определенная область в районе правого виска. Именно на эту область ученые и решили располагать «возбуждающий» анод.


Затем сотрудники военных сил США начали использовать tDCS и для улучшения обучения пилотов на видео-симуляторах. В 2011 году на конференции «Society for Neuroscience annual meeting» они сообщили, что сумели добиться 2-кратного увеличения скорости приобретения новых навыков. И, что немаловажно, эффект от tDCS сохранялся в течение долгого времени после прекращения процедуры.

Важно отметить, что ощущения от tDCS довольно нейтральные и не сопровождаются чувством ускорения или эйфории. Один из добровольцев рассказал, что «ощущал щекотку и легкое жжение в месте прикрепления электродов». А после первых сеансов tDCS иногда даже наблюдается легкое головокружение или чувство усталости.


Впоследствии было проведено ещё несколько научных исследований по электростимуляции правой височной области, подтвердившие эффект tDCS на обучение. Например, результаты были повторены в двойном слепом плацебо-контролируемом испытании (до этого, исследования были одинарные-слепые). Кроме того, было независимо показано, что эффект от единственного сеанса tDCS сохраняется на протяжении, по меньшей мере, ещё одних суток.

Целый ряд научных исследований демонстрирует, что tDCS влияет и на другую когнитивную функцию – ингибиторный контроль. Поведенческое ингибирование крайне важно для эффективного выполнения задач, так как оно позволяет контролировать и подавлять позывы, мешающие выполнению текущего задания. Например, если вы присутствуете на званом обеде, даже если вы очень голодны, вы все равно сможете есть медленно и даже остановиться, если к вам кто-то обратится (или вкус еды покажется вам странным).

Во всех этих исследованиях электростимуляция способствовала усилению когнитивного контроля, что, по-видимому, может оказывать положительный эффект и на обучение, позволяя не отвлекаться от основной задачи на посторонние стимулы.

Таким образом, расположение электродов «DARPA» научно подтверждено и для ускорения обучения, реакции и для ингибиторного контроля, однако у меня есть одно замечание по поводу расположения катода. Его предлагают прикладывать к левому плечу, чтобы он не оказывал инактивирующего воздействия на нервную ткань. Однако среди исследователей существует мнение , что для этих целей эффективнее располагать катод на темя, щеку или область над глазом, которые тоже считаются «неактивными» зонами.

Номер 2. Расположение электродов для улучшения моторного обучения

Расположение электродов для улучшения моторного обучения различается в случае активной правой и левой руки.

У правшей анод располагают над левой моторной корой, а катод – на правой надбровной области.

У левшей расположение электродов зеркально противоположно: анод располагается над правой моторной корой, а катод – на левой надбровной области.

Улучшение моторного обучения, пожалуй, лидирует по числу исследований tDCS. Это связано с тем, что такое воздействие активно используется в медицине, например, при восстановлении после инсульта и для улучшения двигательной активности в старости. Но и на здоровых людях было проведено по меньшей мере 7 двойных слепых плацебо-контролируемых исследования, в которых tDCS улучшала моторное обучение взрослых добровольцев. Во всех статьях воздействие осуществлялось на моторную кору.

В большинстве работ электростимуляцию использовали для улучшения мелкой моторики. В повседневной жизни – это умение быстро и точно набивать текст на клавиатуре, управлять мышкой, играть на пианино, да и «ловкость рук» в принципе. А в научных исследованиях применяются тесты, в которых нужно быстро реагировать на происходящее на экране при помощи точных движений пальцев. Например, при появлении сигнала в определенном месте монитора, требуется нажать соответствующую клавишу на клавиатуре. Или, изменяя силу нажатия на датчик, нужно двигать курсор по экрану и попадать в «ворота» (задача «SVIPT»).


Если во время таких заданий проводить tDCS, то скорость выполнения значительно увеличивается, а число допускаемых ошибок — снижается, по сравнению с плацебо группой.

Электростимуляция позволяет улучшить и другие двигательные навыки, например, сенсорно-моторную адаптацию. Это способность корректировать движения в соответствии с поступающими зрительными или тактильными сигналами, например, во время вождения машины или при выполнении финтов в футболе и баскетболе. Критерием сенсорно-моторной адаптации в нейробиологии считается эффект «сломанного эскалатора». Вначале человек встает на движущийся эскалатор, а затем – на остановившийся. И если он при этом спотыкается, то сенсорно-моторная адаптация у него на нормальном уровне. Интересно, что применение tDCS приводило к тому, что эффект «спотыкания» становился более выраженным, что говорит об усилении адаптации.

Таким образом, электростимуляция способна одновременно улучшить несколько различных моторных функций; единственное, что хочется отметить – эффект от одного сеанса tDCS может быть статистически достоверным, но при этом слабым. Однако при использовании электростимуляции хотя бы 3-5 дней подряд, результат становится гораздо более выраженным. На диаграмме ниже приведена динамика обучения в задании на мелкую моторику, показывающая, что разница между стимуляцией и плацебо-контроем увеличивается со временем и становится наиболее заметна на 5ый день тренировок. Кстати, в этом исследовании эффект от электростимуляции был еще и длительным, сохраняясь на протяжении 3х месяцев.


Номер 3. Расположение электродов для улучшения изучения иностранных языков

Для улучшения способностей к иностранным языкам возбуждающий электрод (анод) советуют располагать над левой префронтальной корой, а ингибирующий электрод (катод) – на правую супраорбитальную область. Такое расположение электродов использовалось, по меньшей мере, в 4х исследованиях на здоровых добровольцах. Правда, во всех этих статьях смотрели только на ограниченное число языковых параметров: на беглость речи и ассоциативное языковое мышление.


Для оценки беглости речи использовали задания, в которых нужно вспомнить как можно больше слов, начинающихся на какую-нибудь букву или принадлежащих определенной категории (например, «фрукты»). А для оценки творческого языкового мышления — применяли тест, в котором даются 3 слова (например, «детский» – «скан» — «промывать») и нужно как можно быстрее придумать еще одно слово, которое их объединяет (например, «мозг»). Электростимуляция улучшала все эти показатели, однако эффект был довольно умеренным. Например, на графике ниже (взятом из исследования 2012 года) показывается, что tDCS увеличила беглость речи на 6,6%, по сравнению с имитацией стимуляции (красный столбик).


Кроме того, я заметил, что для улучшения языковых способностей помимо префронтальной коры воздействуют и на зону Вернике – область, ответственную за обработку речевой информации. Это, на мой взгляд, даже более перспективно поскольку электростимуляция этой зоны влияет на критически важные для языкового обучения параметры: способность запоминать новые иностранные слова и переводить их на родной язык.

Например, в 2008 году немецкие ученые провели двойное слепое плацебо-контролируемое исследование, в котором ускоряли обучение выдуманному иностранному языку при помощи tDCS. Добровольцы подвергались одному из 3х типов стимуляции: воздействию анодом или катодом на область Вернике или — плацебо стимуляции.

Во время tDCS испытуемые запоминали новые слова несуществующего языка, а затем выполняли тесты, в которых должны были определить, правильно ли подписана картинка, а также – перевести вновь выученные слова на родной немецкий. Оказалось, что после электростимуляции люди делали в заданиях гораздо меньше ошибок и быстрее переводили переводили слова с одного языка на другой (по сравнению с обеими контрольными группами). Ниже – представлено расположение электродов для стимуляции зоны Вернике:


Номер 4. Расположение электродов для улучшения памяти и внимания

Чтобы улучшить память и внимательность, предлагается расположить анод на левую дорсолатеральную префрональную кору, а катод – на правое плечо. Однако сразу отмечу, что, по мнению некоторых исследователей, расположение катода на плече менее эффективно, чем на темени или надбровной области. Я писал об этом выше.


Улучшению памяти при помощи электростимуляции посвящено не менее 8 научных статей. Где-то половина исследований – двойные слепые плацебо-контролируемые, а вторая – «одинарные-двойные» слепые. Оказывается, так называются эксперименты, в которых «ослепление» проводят у испытуемых, а также у тех, кто оценивает данные; однако не у тех, кто накладывает электроды. На мой взгляд, в данном случае это не играет большой роли, так как испытуемые во время исследования не взаимодействуют с экспериментаторами, а выполняют задания перед монитором компьютера.

Исследования показывают, что tDCS влияет на рабочую память – способность «держать в уме» небольшие фрагменты информации, необходимые для сиюминутной деятельности. Оценивают рабочую память чаще всего при помощи «n-back» теста — задания, в котором на экране последовательно появляются разные картинки, и необходимо определить, является ли изображение таким же, как «n» позиций назад. Существуют различные вариации этого теста, где нужно помнить картинку, которая была 1, 2, 3 или 4 позиции назад.

В большинстве исследований электростимуляции используется «2-back task». Мета-анализ 8 исследований показал, что tDCS увеличивает скорость, с которой добровольцы дают ответ в таком задании, но не изменяет точность ответов. Однако если использовать более сложные тесты, например, «3-back task» или «4-back task», то tDCS уже не только увеличивает скорость выполнения задания, но и снижает число ошибок.

Есть данные, что воздействие на левую префронтальную кору может улучшить и концентрацию внимания. А американские военные исследования продемонстрировали, что tDCS этой зоны помогает поддерживать работоспособность в условиях хронического недосыпа. Сотрудников военной базы, которые не спали по 30 часов подряд, разделили на 3 группы. У людей из первой группы проводили электростимуляцию, у второй – имитировали, а у третьей – имитировали и давали пить кофе.

Оказалось, что получасовая стимуляция помогла повысить производительность в 2 раза лучше, чем кофеин, а эффект продолжался в 3 раза дольше. Через 4 часа те, кто получал электростимуляцию, правильно выполнял 60% заданий, в то время как люди, выпившие кофе – всего 30%. По субъективным ощущениям, люди, прошедшие tDCS, меньше чувствовали усталость и сонливость и были более энергичными.

Однако, несмотря на обнадеживающие результаты научных исследований, ученые с опасением относятся к самостоятельному применению tDCS. Во-первых, есть опасность, что человек неправильно расположит электроды, что чревато ухудшением когнитивной функции вместо её улучшения. Кроме того, есть опасность, что он будет проводить tDCS дольше положенных 20-ти минут, что тоже нежелательно. Ну и ни в одном научном исследовании tDCS не проводят больше 2х недель подряд. Поэтому специалисты понятия не имеют, что произойдет, если кто-то начнет воздействовать на мозг электричеством каждый день в течение нескольких лет.

Однако коммерческие производители уже лет 5 как выпускают портативные приборы для личного использования. Интересно, что многие выбирают только одну какую-нибудь зону и делают прибор с фиксированным расположением электродов. Например, такой была первая версия foc.us для геймеров — электроды были зафиксированы на лбу, а стартап thync – выбрал расположение на правом виске. Гораздо большим спектром возможностей обладают приборы, позволяющие располагать электроды практически на любые области головы и фиксировать повязкой. Например, «Thebrainstimulator», «PriorMind», «Нейростимулятор Brainstorm» (именно со страницы их краудфандинговой кампании я и взял обсуждаемые в статье расположения электродов).

Такие приборы позволяют тестировать разные расположения электродов для различных когнитивных эффектов, хотя и остается риск, что в этом случае человек ошибется и разместит электроды неправильно.