To hundrede og femogtredive år, efter at den italienske videnskabsmand Luigi Galvani rapporterede, at knækkede frøben ryger som svar på en statisk ladning, der blev anvendt på en nerv, undersøger vi stadig mysterierne med det, han kaldte "dyreelektricitet", især i hjernen. At hjernen genererer lidt af sin egen elektricitet, som kan detekteres ved hjælp af et elektroencefalogram eller EEG, er veletableret, ligesom det faktum er, at nogle neurokirurger i dag undertiden bruger hårtynde elektroder til at stimulere dybe hjernestrukturer og stoppe Parkinsons rysten. Men videnskabsmænd undersøger nu et spørgsmål, der vel, er forbløffende: Kan lavspændingsdoser af elektricitet, der overføres gennem hår, hud og kranium direkte til bestemte områder i hjernen, gøre allerede raske mennesker skarpere og mere opmærksomme?
Relaterede læser
Opgrader din hjerne: Sådan bruges tDCS, Nootropics og mikrober til at revolutionere din hjernefunktion
KøbeAron Barbey, en 39-årig neurovidenskabsmand ved University of Illinois, er førende inden for denne forskning, skønt han er uhyggeligt forsigtig med udsigterne. Han modstår tanken om, at morgendagens indkøbscentre og lufthavne vil indeholde kommercielle hjerneladestationer, opdaterede versioner af dagens massagestop, men hvis denne fremtid (eller noget i den retning) kommer til at ske, vil hans arbejde have spillet en kritisk rolle i at bringe det til . Barbey er direktør for UIs beslutning om neurovidenskabslaboratorium ved universitetets Beckman Institut for Avanceret Videnskab og Teknologi, og hans eksperimenter ser ud til at pege på et tidspunkt, hvor studerende, soldater, ledere og ældre alle kunne drage fordel af en behandling kaldet transkranial direkte strøm stimulering (tDCS).
I et vindue uden rum ved Wright-Patterson Air Force Base, nær Dayton, Ohio, ser jeg John McIntire, en 33 år gammel civil frivillig, modtage tDCS. Han sidder ved en computer og klikker på en række små blinkende lys, et gaze-bandage indpakket under hans hage og på toppen af hovedet. Bandagen holder en lille klynge af elektroder på plads øverst til venstre på hovedet. Der er en anden klynge af elektroder på hans øverste højre arm. Ledninger fra en lille blå kasse på skrivebordet bærer en svag elektrisk ladning, der flyder fra kassen til elektroderne på hans hoved og ned, selvom hans hjerne til elektroderne på armen. Forskere mener, at strømmen rammer nogle nøgleområder i hans mellemhjerne, inklusive locus coeruleus, der frigiver norepinephrin og er involveret i opmærksomhed og vågenthed.
”Jeg har det godt, ” siger McIntire i slutningen af 30-minutters session. Oplevte han nogen fysiske fornemmelser, når strømmen gik gennem hans hjerne? ”Nej, ” siger han, ”Jeg kan faktisk ikke vide, om jeg modtager behandlingen eller ej.” Fordi det er en dobbeltblind undersøgelse, er nogle forsøgspersoner, der får svindel-tDCS uden strøm. (McIntire fik den rigtige ting.) Forskere siger, at de ikke har set betydelige bivirkninger, bare nogle hudfølsomheder fra elektroderne. Nogle personer, der modtager tDCS, rapporterer hovedpine bagefter, men det gør også nogle af dem, der modtager svindelbehandlinger.
Den igangværende undersøgelse ved Wright-Patterson er et samarbejde mellem Barbeys gruppe og Air Force Research Laboratory (AFRL). Det er kun en af mange eksperimenter, som Barbey har iværksat med store forskningspartnere. ”Vores mål, ” siger han, ”er at forstå de neurale mekanismer, der ligger til grund for menneskelig intelligens og beslutningstagning - hvordan intelligens og beslutningstagning implementeres i hjernen og derefter bruge denne viden til at udvikle disse nye interventioner.”
Det er ikke svært at forstå, hvorfor luftforsvaret ville være interesseret i, hvad Barbey har at tilbyde. Mange af dets personale bruger op til 12 timer om dagen, seks dage om ugen, på at se billeder af overvågningsbilleder og forsøge at identificere deres dronemærker. Undersøgelser viser, at deres præstationer begynder at falde efter kun 20 minutters vagt. ”Manglende mål i kampsituationer i det virkelige liv er en stor aftale, fordi det kunne koste nogen deres liv, ” siger Andy McKinley, en AFRL neurovidenskabsmand. ”Og vi tror, tDCS kan være et værktøj til at hjælpe analytikerne, når de begynder at blive trætte, til at opretholde deres præstationer.”
Abonner på Smithsonian magasin nu for kun $ 12
Denne artikel er et udvalg fra maj-udgaven af Smithsonian-magasinet
KøbeIndtil videre har resultaterne været lovende. I en række undersøgelser, der er offentliggjort siden 2013 i NeuroImage, Brain Stimulation og andre tidsskrifter, blev tDCS alene vist at reducere træthed og forbedre eller bevare ydeevnen. Tjenestemedlemmer, der modtog strømmen om morgenen, var langt mere opmærksomme og årvågne end kontrolpersoner, da de blev testet sent på eftermiddagen. Behandlingen syntes også at forbedre deres humør og energiniveau. McKinley, der har arbejdet med tDCS siden 2007, siger virkningen af en 30-minutters tDCS-dosis på to milliamper om morgenen "varer hele dagen lang." (Til sammenligning involverer moderne elektrokonvulsive terapibehandlinger op til 900 milliamper.) i en beslægtet, endnu ikke offentliggjort AFRL-søvnmangelundersøgelse, blev forsøgspersoner holdt vågne i 21 timer og fik derefter enten koffein, skam-tDCS eller faktisk tDCS, før de fortsatte deres opgaver i op til yderligere 15 timer. Medlemmer af den tredje gruppe pralede to gange nøjagtigheden i at finde mål for de to andre grupper. De rapporterede også højere subjektive humørscore og sagde, at tDCS fik dem til at føle sig opdaterede.
Protokollen Barbey har designet kombinerer tDCS, ernæring og kognitiv og fysisk træning i et omfattende regime med potentialet til at forbedre alt fra matematiske færdigheder til abstrakt resonnement. Gennem sit arbejde undersøger han arten og strukturen af det menneskelige sind og spørger i processen, hvad det virkelig betyder at være smart.
**********
Det var hans arbejde med en anden generation af servicemedlemmer, der lærte Barbey de vanskelige forhold i den menneskelige hjerne. Mellem 2007 og 2011 var han forsker ved National Institutes of Health og studerede en gruppe af Vietnam-veteraner, der havde lidt hjerne traumer. Skaden var forårsaget af lavhastighedsskrabe og skudsår - det var begrænset til diskrete områder, hvilket betød, at de fleste af deres kognitive funktioner blev bevaret. Placeringen og størrelserne af deres sår forårsagede forskellige mangler, herunder problemer med hukommelse, sprog og med højere kognitive funktioner såsom planlægning og problemløsning.
Ved hjælp af en proces kaldet læsionskortlægning indsamlede Barbey diagnostiske billeder af veteranernes hjerner og matchede derefter mænds beskadigede anatomi til deres dokumenterede problemer. Resultatet var en hjerneatlas, der gjorde det muligt at knytte specifikke kognitive funktioner til deres underliggende neurale netværk.
John McIntire, en 33-årig ingeniørundersøgelsespsykolog, er frivillig til transkraniel jævnstrømstimulering ved Wright-Patterson Air Force Base. (Lynn Johnson) 
TDCS-eksperimenterne involverer fastgørelse af elektroder til hovedet og transmission af lavspændingsdoser af elektricitet, som den menneskelige person ikke kan føle. (Lynn Johnson) 
McIntire forbereder sig til tDCS. (Lynn Johnson) 
En forskningsdeltager ved University of Illinois gør sig klar til at gå ind i en MR-maskine. Forskere bruger disse data til at analysere hjernestrukturen og funktionen hos personer, der modtager tDCS. (Lynn Johnson) 
Behandlingen er designet til at forbedre ydeevnen på en bestemt opgave. Her bruger studerende forskningsemner tabletter til at gennemføre et kognitivt træningsprogram som et lavniveau elektrisk strømkurser gennem deres hjerner. (Lynn Johnson) 
Neurovidenskabsmand Aron Barbey modstår ideen om hjerneladestationer i indkøbscentre og lufthavne. Faktisk vil han helst ikke spekulere i sådanne ting. (Lynn Johnson) 
Barbey tager en meditationspause. I tråd med sin helhedsorienterede tilgang til hjernen tager han tid til at meditere hver dag og synes det er særlig nyttigt at håndtere jobrelaterede stress, såsom at navigere over tilskudsforslag. (Lynn Johnson) 
Terry Brann bliver fanget i prøver for, hvordan fitness forbedrer hjernen. (Lynn Johnson) 
Ernæring og kognitive øvelser er også en del af Barbeys protokol. (Lynn Johnson) 
Forskere finjusterer en undersøgelse af kondition og hjerne. Luftforsvarets medlemmer gør gode emner, fordi de er fysisk i form. (Lynn Johnson) 
Luftforsvaret er interesseret i Barbeys eksperimenter, fordi personale, der er optaget af computerskærme, kan miste fokus og blive trætte. (Lynn Johnson) 
Da han indsamlede diagnostiske billeder fra Vietnam-veteraner, der havde lidt hjerne-traume, fandt Barbey oplevelsen “utroligt dyb.” (Lynn Johnson) Baseret på denne viden offentliggjorde Barbey med forskellige medforfattere en formidabel række papirer, der identificerer hjernenetværk til generel intelligens, følelsesmæssig intelligens, kognitiv fleksibilitet, arbejdshukommelse og mere. I det, der måske kan betragtes som hans læsionskortgivende mesterværk, der blev offentliggjort i tidsskriftet Brain i april 2012, lagde Barbey og kolleger ambitiøst en arkitektur for generel intelligens og udøvende funktion - kompleks, målstyret adfærd, der involverer vidt distribuerede dele af hjernen, inklusive den prefrontale cortex. Denne undersøgelse, en af de største og mest omfattende vurderinger af sin art, der er foretaget til dato, involverede 182 Vietnam-veteraner og konkluderede, at intelligens "afspejler evnen til effektivt at integrere verbale, rumlige, motoriske og udøvende processer via et omskrevet sæt kortikale forbindelser." Barbey og hans team var i stand til at præcisere mange af disse forbindelser og beskrive, hvordan de fungerede.
Barbeys oplevelse med veteranerne efterlod ham med meget mere end et imponerende CV. ”Det var utroligt dybtgående, ” siger Barbey, der nu fungerer som redaktør eller bestyrelsesmedlem i fire tidsskrifter, inklusive Frontiers in Neuroscience . ”Vi bruger hele denne tid på at udvikle disse teorier og tænke på det menneskelige sinds natur og arbejder virkelig hårdt for at prøve at forstå funktionen af disse hjernenetværk. Og det bliver denne meget videnskabelige, meget tekniske virksomhed. Men så, når du først begynder at arbejde med enkeltpersoner, arbejde med patienter, med Vietnam-veteraner, bliver det straks klart, at der er dette meget vigtige spørgsmål på spil. Og det handler virkelig om at forbedre kvaliteten i folks liv og finde løsninger på disse meget hårde problemer, som de står overfor. ”
Hjernens irriterende kompleksitet er den største hindring for at tackle sådanne problemer. Eller sådan ser det ud. Men den meget kompleksitet gør det også muligt for videnskaben at forbedre ydeevnen på en lang række opgaver - så længe forskere ved, hvilke netværk de skal målrette mod. Stimulering af de korrekte netværk, siger Barbey, afhænger af at vide, hvilke der er involveret i en given opgave og være i stand til at målrette disse netværk mod den rigtige dosis og varighed. ”Så hvordan ved vi, om vi stimulerer de rigtige strukturer?” Spørger han. ”Det afhænger af opgaven. Opgaven er kritisk. ”
I den lange skygge af alt, hvad vi ikke ved om hjernen, kaster tDCS nyt lys over, hvordan det fungerer. Neuroner er medierne for elektrisk aktivitet i hjernen, men som Barbey påpeger, ”der er ligesom 100 milliarder af dem, og de har mange egenskaber, som undgår os.” Barbeys forskning fokuserer på menneskelig intelligens og beslutningstagning. Intelligens, siger han, fremgår af interaktionen mellem flere hjernenetværk, herunder det centrale udøvende netværk, et distribueret neuralt system (en slags 3D-edderkoppervind), der er velkendt for at understøtte funktioner som planlægning, problemløsning, bedømmelse og beslutningsprocessen.
I et typisk tDCS-eksperiment, der er målrettet mod det centrale udøvende netværk, arrangerer Barbey elektroderne til at sende strømmen gennem frontal- og parietallober, mens hans motiver udfører en computerbaseret opgave. I en sådan test, kaldet n-back-opgaven, vises deltagerne breve og skal huske, om de matcher bogstaver, de tidligere har set.
Barbey siger, at den elektriske strøm forbedrer excitabiliteten af de neuroner, der er involveret i opgaven, hvilket gør dem mere tilbøjelige til at affyre og styrke de synaptiske forbindelser mellem dem. ”Neuroner, der fyrer sammen, trækker sammen, ” siger Barbey og citerer et aksiom af den legendariske canadiske psykolog Donald Hebb. I et papir fra september 2015 rapporterede AFRL-videnskabsmanden Ryan Jankord og kolleger, at 30 minutters tDCS i rotter “inducerede en robust forbedring” af forbindelserne mellem celler i hippocampus, som er kritiske for læring og hukommelse.
Hos mennesker ser tDCS også ud til at rekruttere yderligere neuroner, der ikke oprindeligt var involveret i en opgave, hvilket skaber det, som Barbey kalder undernetværk, der forbedrer ydeevnen. Men der er intet, der i sagens natur er gavnligt ved at øge neuronernes excitabilitet, tilføjer han. ”Det er kun effektivt under specifikke forhold, hvor du leverer elektrisk strøm til regioner, der er involveret i opgaven.” Dette er en nøgledel af, hvordan han administrerer tDCS: Motivet skal aktivt bruge de dele af hjernen, der er tale om. Stadig forsigtigt understreger Barbey imidlertid, at ”de underliggende biofysiske mekanismer ikke er godt karakteriseret.” Med andre ord er forskere ikke helt sikre på, hvorfor tDCS gør, hvad det gør.
Nogle har stillet spørgsmålstegn ved, om det overhovedet gør noget. I januar 2015 offentliggjorde den australsk-baserede videnskabsmand Jared Horvath og to af hans kolleger en analyse af mere end 200 tDCS-undersøgelser. Deres konklusion: ”Vores kvantitative gennemgang understøtter ikke tanken om, at tDCS genererer en pålidelig effekt på kognition hos raske voksne.” Avisen udledte en kontrovers, hvor forsvarere af tDCS stiller spørgsmålstegn ved Horvaths metoder - han udelukkede mere end 170 studier, hvis resultater ikke havde blevet replikeret af mindst et andet laboratorium. Barbey tager Horvath's synspunkt og bemærker, at selvom tDCS er blevet undersøgt vidt, har entusiasme for det "overgået mekanistiske teorier" om, hvordan det fungerer. Disse huller i viden, siger han, forsinker udviklingen af mere effektive protokoller og frembringer en mangfoldighed af fund, der ikke kan forklares, og udlåner sig til kritikker som Horvaths.
”Folk har forsøgt at ændre deres bevidsthed, lige siden de indså, at de havde bevidsthed, ” siger Jonathan D. Moreno, professor i medicinsk etik og sundhedspolitik ved University of Pennsylvania's Perelman School of Medicine. Moreno siger, at han hidtil er overvældet af fremskridtene inden for tDCS-området. ”Jeg tror bare, at vi er så meget i skoven på dette stadig, og vi vil være i lang tid, ” siger han. ”Det afhænger af, hvem du prøver at forbedre, og hvad. Du kan aldrig få mig til at være Einstein, og Einstein har sandsynligvis ikke brug for meget forbedring. ”
Han er mindre skeptisk over for den terapeutiske anvendelse af tDCS for at gendanne en vis grad af normal funktion hos mennesker med visse lidelser. ”Terapi ser ud til at være mere gennemførlig end forbedring, ” siger han. Flere undersøgelser i de senere år har vist, at det kan have potentiale som en effektiv behandling af depression, post-traumatisk stresslidelse og andre neuropsykiatriske problemer. Det har også vist løfte for Alzheimers og slagtilfældepatienter under ordhukommelse og billedgenkendelsesopgaver. Og en 2014-undersøgelse fandt, at tDCS forbedrede sprogindlæring, hvilket antydede dets potentiale som en behandling af sprogunderskuddene forårsaget af slagtilfælde. Luftforsvarets forskning, der ikke er relateret til kliniske lidelser, kan pege på en anden potentiel fordel ved terapeutisk tDCS: Hold af forskere i Tyskland, Brasilien og USA har fundet, at to ugers daglig tDCS kan resultere i uger eller endda måneder med forbedret ydelse på en meget specifik opgave. ”Det ser ud til, at du foretager varige ændringer i neurale forbindelser i hjernen, ” siger McKinley.
Et 42-måneders projekt kaldet Insight kan muligvis give mere konkrete svar. Barbeys laboratorium lancerede programmet i 2014 med $ 12, 7 millioner i finansiering fra kontoret for direktøren for national efterretning. Det er en af de største nogensinde undersøgelser af evnen til at resonnere under nye forhold. Regeringens erklærede mål er at forbedre den adaptive ræsonnement og problemløsningsevner for efterretningspersonalet. Under Barbeys tilsyn modtager 1.000 sunde frivillige mellem 18 og 44 år (mange af dem fra University of Illinois-studerende) doser af tDCS, mens de udfører kognitive træningsøvelser, der tester disse færdigheder. Men det er kun en del af protokollen: De gennemgår også træningspas med fysisk kondition, og deres diæter og ernæringssundhed overvåges.
Træning kan virke lavteknologisk sammenlignet med tDCS. Men Barbey er lige så interesseret i svedekraften, som han er i potentialet i elektricitet. Han er involveret i et separat projekt med Luftforsvaret med fokus på spidsen på højintensitetsintervaltræning. Træning på egen hånd har allerede vist sig at være mindst lige så effektiv som tDCS til at forbedre den kognitive ydeevne. Selvom Barbey siger, at det endelige kliniske forsøg endnu ikke er at gøre, viser mere end 40 års forskning en stigning i gråstofvolumen blandt aerobt fit ældre voksne, samt en 40 procent reduceret risiko for kognitiv tilbagegang blandt dem, der træner regelmæssigt. Alzheimers patienter, der deltager i akutte træningsprogrammer, har øget hjerneafledt neurotrofisk faktor, et protein, der fremmer sundheden og væksten af hjerneceller.
Ifølge Barbey har øvelse en særlig imponerende effekt på de udøvende funktioner. ”Hvis vi skulle gå ud lige nu og køre i fuld hastighed helt ned til enden af gaden og derefter køre i fuld fart hele vejen tilbage, ” siger Barbey, ”da vi sad ned her for at fortsætte vores samtale, ville vi være mere opmærksomme, vores hukommelse ville blive forbedret, vi ville have bedre udøvende kontrolfunktioner, og disse effekter ville vare ca. 20 til 30 minutter. ”
Barbey ønsker også at forstå indflydelsen af ernæring på hjernes sundhed og kognition. ”Vi ved, at hvis du ønsker at være atlet, skal du spise bestemte ting og engagere sig i bestemte typer fysisk aktivitet, ” siger han. ”Denne ernæring fungerer også på hjernen.” Motiverne i hans luftforsvarsprojekt tager et specielt supplement oprettet af Barbeys laboratorium i samarbejde med Abbott Nutrition. Formlen er proprietær, men Barbey siger, at den indeholder ingredienser til at fremme muskelstyrke, hjerte-kar-sundhed og aerob kondition samt hjernesundhed. ”Derudover har vi specifikke ernæringsprofiler, som vi antager, spiller en vigtig rolle i at styrke hjernes sundhed og kognitive evner, ” siger han. Kort sagt, Barbey mener, at motion og ernæring kan give varige, holistiske fordele, der bare stimulerer bestemte hjernenetværk sandsynligvis aldrig kunne levere.
Stadig forbliver tDCS det mest eksotiske af interventionerne. Det er fristende at antage, at flere behandlingssessioner kan øge den generelle intelligens i stedet for blot at forbedre ydeevnen på den aktuelle opgave. Men Barbey har ikke fundet noget bevis for, at tDCS kan gøre en person smartere overalt. ”Svaret ser ud til at være nej, ” siger han.
Det er en af grundene til, at han ser for sig en fremtid, hvor folk vil bruge målrettede tDCS sammen med livsstilsændringer: sidstnævnte vil forbedre deres generelle sundhed og mentale præstationer, mens førstnævnte vil forbedre specifikke kognitive evner. Som Barbey ser det, afhænger pakken med interventioner af den enkeltes mål. Et emne ønsker måske forbedret arbejdshukommelse og har behov for at forbedre de involverede hjernenetværk. ”Evnen til at udvikle en skræddersyet intervention afhænger af at forstå de underliggende mekanismer, ” siger Barbey. ”Hvis vi ikke forstår mekanismerne, kan vi bestemt ikke opnå skræddersyning.”
Men Barbey ved, at hans arbejde føder en alternativ fremtidssyn, hvor mennesker i alle former for private og kommercielle omgivelser rutinemæssigt kan sætte sig ned for hjernefladningssessioner. Han vil helst ikke spekulere i sådanne ting, men når han tager udgangspunkt i, om denne model kan eksistere 50 år fra nu - en slags LensCrafters til hjernen - siger han, ”Hvis vi antager, at vi er på rette spor, antager vi, at tDCS faktisk kan producere robuste forbedringer, så ja. ”Så vender han hurtigt tilbage til nutidens virkelighed. ”Men vi lærer stadig om disse metoder, og vi kører stadig eksperimenter for at evaluere deres effektivitet. Så det er stadig for tidligt. Og det er hvad der sker med kommercialismen. De går alt for hurtigt. ”Barbey har et svagt overblik over den kommercielle hjernetræningsindustri og ønsker ikke, at folk skal klumpe sit arbejde ind med dets tilbud. Millioner af smartphone-brugere har for eksempel downloadet spil som Lumosity, der hævder at forbedre hukommelsen markant. ”Der er bestemt bevis, der antyder, at hvis du spiller et arbejdshukommelsespil, vil du blive bedre til det arbejdshukommelsespil, ” siger han. ”Det, der er mindre klart, er, om det har nogen anden indflydelse.” (Barbeys skepsis blev forstærket i januar, da Lumosity accepterede at betale $ 2 millioner for at afvikle føderale afgifter for vildledende reklame for at hævde, at dets produkt kunne bremse den kognitive tilbagegang. En dom på 50 millioner dollars blev suspenderet fordi virksomheden ikke havde pengene.)
Barbey insisterer på, at der ikke er nogen genveje i neurovidenskaben. Mindst to kommercielle tDCS-enheder, Halo og Thync, er i øjeblikket tilgængelige, men han udsættes for antydningen om, at det er muligt at blive smartere ved blot at vende en switch eller spille et spil. ”Vi er virkelig nødt til at tage den hårde vej, ” siger han. For Barbey kræver hjernen intet mindre.
