7 июля 1924 года родилась Наталья Петровна Бехтерева — ученая, нейрофизиолог, которая прославила советскую и российскую науку своими трудами в области изучения головного мозга. Н.П. Бехтерева впервые в Советском Союзе опробовала методику вживления электродов в головной мозг пациента с долгосрочными целями — для диагностики и лечения.
Надо отметить, что попытки проникнуть в мозг живого существа и перехватить управление им предпринимались к тому моменту уже довольно давно. MedAboutMe выяснял, как наука пришла к идее электростимуляции мозга и для чего ее можно использовать.
Электричество и мозг
В XVIII веке итальянец Луиджи Гальвани открыл электрическую возбудимость мышц и нервов. Примерно тогда же человечество познало электричество. И немедленно соединило эти два достижения, попробовав возбуждать нервные клетки живого существа путем воздействия извне (то есть тыкания в него оголенным электрическим проводом).
Через короткое время физиологи, нейрохирурги и неврологи добрались до головного мозга и стали экспериментировать с его стимуляцией на животных. От неинтеллектуальных лягушек ученые и врачи быстро перешли к более высокоорганизованным кошкам и обезьянам — на них ставились опыты как по поверхностной стимуляции головного мозга, так и по глубокому введению в ткани мозга электродов. Таким образом, например, был обнаружен центр удовольствия.
Наконец, нейрохирург из Монреаля Уайлдер Пенфилд использовал электрическую стимуляцию коры головного мозга у своих бодрствующих пациентов для картирования ее участков и выявления моторных и сенсорных областей, отвечающих за движения и чувства, соответственно.
Такое картирование также называлось созданием гомункулуса — это необычное определение вошло в терминологию неврологов после того, как У. Пенфилд и его коллеги представили научному сообществу схему искаженного человеческого тела, созданную на основе данных о расположении на коре головного мозга участков, занимающихся обработкой двигательных и сенсорных сигналов — в соответствующем масштабе.
«Где у него кнопка?»
Когда наука обзавелась суперчувствительными микроскопами, удалось выяснить, что при электростимуляции тканей головного мозга происходит активация нейронов, находящихся на расстоянии до 4 мм от электрода — даже при такой малой силе тока, как 10 мкА. Неважно, где находится тело нейрона — важно, дотягиваются ли до зоны действия тока его отростки, а эта зона составляет 15 мкм от наконечника электрода. По мере увеличения силы тока растет зона поражения, а значит, растет и число активированных нейронов.
Важный момент: в обычной нервной клетке электрический импульс распространяется путем химической активации синапсов — мест соединения двух нейронов. Вещества-нейромедиаторы выбрасываются в синаптическую щель из одного нейрона и попадают в другой, где и запускают процессы передачи импульса путем деполяризации мембраны. А вот активация при помощи электрода сразу запускает процессы деполяризации — напрямую.
Человечество уже более века шурудит электродами в мозгах различных живых существ. Иногда ему удается это делать довольно осознанно. Известен демонстрационный эксперимент с быком, которому были вживлены электроды в мозг. Экспериментатор дразнил животное, а когда тот кидался на него, нажимал кнопочку на пульте управления — и недоумевающий бык бежал назад. Ученым удавалось одним движением тумблера приводить в ярость кошек и успокаивать буйных пациентов, вызывать страх, оргазм и сводящие с ума зрительные иллюзии, и др.
Сегодня можно свести все задокументированные эффекты электростимуляции, которых удалось добиться, в следующий список:
- Сенсорные эффекты
Ощущение покачивания, движения, падения, удушья, тепла и жжения, различные парестезии (покалывание, мурашки, онемение в отдельных частях тела), дрожание зрительных образов, дизестезия (нарушение чувствительности), звуки, вспышки света, галлюцинации, микропсия (измерение размеров предметов), двоение в глазах.
- Двигательные эффекты
Управление движениями глаз и всего живого объекта, блокировка речи, повторяющиеся движения, смех и слезы, повторение слов, жевательные движения.
- Управление автономной нервной системой
Покраснение кожи, расширение зрачка, изменение артериального давления и дыхания, апноэ (остановка дыхания), тошнота, тахикардия (учащение сердецебиения), потливость.
- Эмоции
Чувство беспокойства, веселья, страха, счастья, гнева, печали, ощущение нереальности происходящего, депрессивное состояние, гипомания (слабая форма мании).
- Когнитивные функции
Акалькулия (нарушение способности к счету), парафазия (утрата смысла произносимых слов), аномальная афазия (нарушение способности называть объекты при правильной речи и понимании), вызывание воспоминаний, введение в транс или в состояние восторга, кондуктивная афазия (неспособность повторять слова), гемиагнозия (расстройство узнавания предметов), алексия (расстройство чтения), синдром дежавю, переживание воспоминаний, аграфия (расстройство способности писать), апраксия (неспособность выполнять целенаправленные движения) и др.
Импланты для мозга
Мозг — это не плотная ткань наподобие соединительной. Это, скорее, желеобразная структура из глии, пронизанной нейронами. При первых попытках ввести в это «желе» электроды оказалось, что их местоположение быстро перестает быть заданным — они просто «проваливались» в ткани мозга, попадали в другие его области — ни о каком картировании уже и речи быть не могло.
Другой проблемой имплантации электродов в мозг стала их плохая приживаемость. В результате отторжения вокруг них образовывались рубцовые ткани, что приводило к ухудшению или полному пропаданию сигнала, а также представляло опасность для самого мозга.
Упоминаемый выше Фил Кеннеди пробовал использовать импланты из стекла в виде конусов, через которые был пропущен провод из золота. В конус, кроме того, добавлялась ткань седалищного нерва и раствор, ускоряющий рост клеток — это заметно облегчало процесс вживления и закрепления электродов в определенном участке мозга.
Сегодня ученые пытаются отказаться от идеи внедрять импланты внутрь мозга. В августе 2017 года ученые из Гарварда продемонстрировали новые импланты, предназначенные для размещения на поверхности мозга. Внутри таких устройств имеется множество микроспиралей толщиной с волос, которые вырабатывают мощное магнитное поле. Пока ученым удалось заставить мышей шевелить усами. В планах снабдить ими парализованных людей, которые смогут делать себе кофе и даже видеть при отсутствии зрения.
Электрическая стимуляция и болезни
Выделяют следующие методы электрической стимуляции мозга:
- Транскраниальная электростимуляция (ТЭС-терапия, TES).
- Транскраниальная магнитная стимуляция (TMS).
- Транскраниальная стимуляция постоянным током (tDCS).
- Микрополяризация (tDC).
- Глубокая стимуляция мозга (DBS) — в отличие от транскраниальных методов, которые не подразумевает проникновение в ткани мозга, DBS как раз предполагает установку электродов путем хирургической процедуры.
- Электросудорожная терапия (ЭСТ), она же электрошоковая терапия.
- Функциональная магнитная стимуляция (FMS).
- Магнитная судорожная терапия (MST).
- Электростимуляция блуждающего нерва (VNS).
Сегодня электрическая стимуляция мозга используется для лечения широкого спектра заболеваний в области неврологии: некоторые формы болезни Паркинсона, эпилепсии, рассеянного склероза, синдром Туретта, миоклонии, различные спастические синдромы (ДЦП, геми-, пара-, тетрапарезы), хронические невропатические и онкогенные боли.
В ближайшем будущем врачи и ученые рассчитывают научиться лечить различные заболевания головного мозга, связанные с дегенерацией нейронов — болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона и др. Например, уже есть определенные успехи на этом поприще: было доказано, что метод глубокой стимуляции мозга позволяет улучшить качество жизни пациентов с болезнью Паркинсона: количество времени, необходимого для контакта между различными участками мозга, снижается, то есть происходит улучшение коммуникации нейронов между собой и, как следствие, двигательные функции пациента восстанавливаются.
Хронические боли — еще одно актуальное направление исследований. Своей очереди также ждут многочисленные психиатрические патологии, связанные с нарушением работы отдельных участков мозга. А в марте 2018 года польские ученые обнародовали результаты успешного лечения ожирения путем вживления электродов в мозг женщины, страдавшей от депрессии. Пока это, конечно, слишком дорогая и сложная методика для борьбы с лишним весом, однако полученные результаты могут быть применимы для лечения других зависимостей: наркотической, алкогольной и др.
Имплантация электродов в мозг — возможность вернуть утраченные слух, зрение и другие чувства, дать возможность двигаться парализованных людям — или управлять современными протезами, способными заменить утраченные части тела.
Будущее нейроимплантов
В будущем нейроимпланты планируется использовать не только для лечения болезней. Например, еще одно обширное направление исследований — это улучшение человека, точнее, его когнитивных функций — памяти, способности ориентироваться в пространстве, способности к обучению и усвоению новых знаний.
Ученые также обещают создать настолько тесную связь между мозгом человека и интерфейсом разнообразной аппаратуры, что в недалеком будущем можно будет мысленно управлять хоть холодильником, хоть автомобилем.
Наконец, виртуальные миры — доступ туда тоже предполагается осуществлять за счет электродов, вживленных в мозг. И данное направление явно получит не только игровой функционал.
В 1998 году американский невролог Фил Кеннеди создал человека-киборга. Парализованный пациент Джонни Рэй с вживленными в мозг электродами смог передвигать курсор по экрану, печатать сообщения и отправлять их, дергая плечом вместо клика мышки. В 2014 году Кеннеди повторил опыт на себе. Ему удалось найти для проведения этой нелегальной в США операции доктора из Белиза. Вживление прошло успешно, но в процессе он чуть не потерял речь, а также неудачей окончилась попытка введения под кожу головы передатчика-транслятора. Несмотря на это, Кеннеди удалось доказать возможность ограниченного возвращения речи пациентам, потерявшим способность говорить из-за болезни (например, при боковом амиотрофическом склерозе, убившем Стивена Хокинга).
- Можно ли утверждать, что сейчас ученые могут вызвать любой из выше перечисленных эффектов по желанию и точно знают, куда и как надо «воткнуть» электроды для этого? Практика показывает, что в принципе — да, в нюансах — нет. «Голова — предмет темный», — утверждал доктор из фильма «Формула любви», и был в немалой степени прав. Таковым она пока и остается.
- Не следует забывать о возможности и обратной связи. Открывая свой мозг воздействию технологий, человек должен помнить о том, что у каждой медали есть две стороны. Новые горизонты предполагают новые уязвимости. Пока мы лечим болезни — рисками «взлома мозга» можно поступиться. Но когда мы пытаемся улучшить здоровый мозг — ситуация может выйти из-под контроля и привести к неконтролируемым последствиям.
