Лягушачьи лапки и Франкенштейн
История, которую я собираюсь вам рассказать, начинается в конце 1780-х годов, когда 43-летний человек эпохи Возрождения Луиджи Гальвани вместе со своей женой Люсией случайно обнаружили, что электрическая стимуляция лягушачьих лапок заставляет лягушку брыкаться. Его открытие вызвало шквал научного интереса к тому, что первоначально называлось биоэлектричеством, и к тому, что мы сегодня называем электрофизиологией — изучению электрических свойств организмов от клеточного до органного уровня.
Хотя я не буду утомлять вас подробностями их работы, я скажу вам, что Гальвани внесли, возможно, самый большой вклад в неврологию до этого момента, даже не осознавая этого. Они обнаружили, что существует какая-то глубокая связь между электричеством, этим абстрактным явлением, которое мы видели в молнии и которое можно использовать для выработки энергии, и жизнью. Десятилетия исследований привели бы к открытию, что отдельные клетки могут передавать электрические сигналы по всей своей длине в виде потенциалов действия — это нейроны организма. Знаменитые биофизики Ходжкин и Хаксли впоследствии получили Нобелевскую премию за их подробный математический анализ и моделирование электрических свойств нейронов, так называемую модель Ходжкина-Хаксли.
Связь между нервной системой и электричеством даже проникла в популярную культуру, когда в 1816 году, вдохновленная сообщениями о работе Гальвани за 40 лет до этого, молодая Мэри Шелли придумала историю о безумном ученом, использующем электричество для оживления трупа — история в конечном итоге стала хорошо известной: Франкенштейн. Позже в этом году выйдет 4—я часть серии "Матрица" - история, рассказывающая о времени, когда человеческий разум будет использоваться для получения биоэлектричества, времени, когда люди смогут напрямую подключаться к компьютерам и жить в виртуальном пространстве.
Но здесь я не собираюсь рассказывать вам сказки о научно-фантастических киборгах и компьютерных чипах для промывания мозгов — вместо этого я хочу провести экскурсию по тому, как мы можем использовать электромагнетизм для стимуляции и исцеления поврежденного мозга. Мы рассмотрим несколько примеров того, как мы можем использовать технологии для изменения мозга способами, которые мы даже не до конца понимаем. Я надеюсь передать вам, если не что иное, более глубокое чувство признательности за технологии, которые существуют вокруг нас сегодня, а также изобретательность тех врачей, ученых и инженеров, которые работают на этих передовых рубежах медицины.
Добро пожаловать в мир нейростимуляции.
Неврологические заболевания
Оправдано это мнение или нет, но часто говорят, что то, что отличает нас от остального животного царства, - это наша способность к сознательному мышлению. Если это так, то должно быть правдой, что в нашем мозге есть что-то уникально человеческое, какая-то особенность, которая делает нас особенными. Согласны вы с этим или нет, но факт остается фактом: человеческий мозг — одна из самых сложных биологических машин, с которыми мы сталкивались в мире, и нам еще так много предстоит узнать о нем.
Это, на мой взгляд, и делает неврологические заболевания такими разрушительными. Пациенты с болезнью Альцгеймера, Паркинсона, деменцией и даже психическими расстройствами, такими как депрессия или тревога, теряют контроль и независимость над этим особым аспектом нашей человечности. Я не хочу сказать, что эти условия делают кого—то менее человечным - напротив, они лучше всего отражают состояние человека, показывая нам, насколько хрупок баланс между здоровым и нездоровым мозгом.
Расстройства мозга обычно можно объяснить “неисправной проводкой”. Хотя причины более глубокие, большинство из них проявляется в том, что нейробиологические схемы работают не так, как ожидалось. Одним из классических примеров является эпилепсия, когда случайные электрические нарушения вызывают у пациентов опасные для жизни припадки. Предсказать начало эпилептических припадков и лечить их - один из святых граалей неврологии, но мозг трудно изучать.
Как же тогда мы изучаем мозг?
В старые времена они просто вскрывали тебе голову. Конечно, мы больше не можем этого делать, в любом случае, это не дает наилучшей информации. Нет, лучший способ изучить мозг - это когда он усердно работает, и для изучения базовой физиологии мозга были разработаны многочисленные медицинские инструменты.
Возможно, наиболее часто используются МРТ, КТ и ПЭТ. Эти снимки используются для различных целей визуализации, но они заняли лидирующие позиции в мире нейровизуализации.
Технические детали каждого из этих методов интересны из-за качества и количества информации, которую они теперь предоставляют нам, но, возможно, выходят за рамки моих целей в этой статье. Что я скажу, так это то, что каждый из них дает разные и уникальные взгляды на структуру и функции мозга. Такие методы, как МРТ, могут изучать изменения притока крови к областям мозга во время определенных видов деятельности, что позволило нам определить, какие области мозга связаны с различными когнитивными процессами и трудностями. Появление компьютерных методов реконструкции позволило нам изучить структуру мозга с гораздо большей детализацией, чем это допускалось ранее, что делает нейровизуализацию невероятно богатой областью.
Но новые технологии не просто позволили нам взглянуть на мозг изнутри. Это также дало нам набор инструментов для терапевтического воздействия на области мозга. Эти нейромодулирующие инструменты, хотя и являются относительно новыми для игры, продвигают способы лечения расстройств совершенно новыми способами, которые используют ключевую связь между электромагнетизмом и физиологией мозга. Несмотря на то, что существует так много новых инструментов, два, которые я хочу обсудить здесь, - это глубокая стимуляция мозга (DBS) и транскраниальная магнитная стимуляция (TMS).
Глубокая стимуляция мозга
DBS очень часто используется для облегчения симптомов болезни Паркинсона у пациентов, для которых медикаментозного лечения уже недостаточно. Принцип прост — аккуратно вводите электроды в определенные участки мозга и вводите направленные импульсы тока. Нет единого мнения о том, как именно работает эта, казалось бы, ужасная техника, но множество исследований показывают, что это так.
DBS “родилась” в 50-х годах, когда на психиатрических пациентах проводились неэтичные исследования, чтобы “вылечить их”. Из-за инвазивной электрошоковой терапии эти пациенты часто не излечивались, и результаты были довольно неубедительными. Хотя было бы упущением игнорировать это раннее прошлое DBS, большинство ученых отмечают, что его современный экземпляр был впервые разработан Алимом Бенабидом, франко-алжирским нейрохирургом, который впервые использовал DBS для облегчения симптомов паркинсонизма.
Когда у пациентов с болезнью Паркинсона появляются признаки того, что их текущая доза лекарства, по-видимому, не помогает эффективно справиться с симптомами, им часто рекомендуют операцию DBS. Их врачи определят идеальные цели для DBS, как правило, в одной из четырех областей мозга (наиболее часто используются выделенные жирным шрифтом):
- Внутренний бледный шар
- Субталамическое ядро
- Таламус
- Ядро педункулопонтина
При введении электродов в некоторые из этих конкретных областей подаются небольшие импульсы тока. Это приводит к некоторому “сбросу” электрической активности в регионе — эффекты, разнообразные по своей природе, обычно показывают облегчение симптомов паркинсонизма.
DBS в настоящее время изучается как возможный инструмент вмешательства при других расстройствах. В частности, некоторые предполагают, что его можно было бы использовать для лечения клинической депрессии, что могло бы стать огромным шагом вперед в нашем лечении психических расстройств.
Конечно, важно отметить, что DBS - это инвазивный нейрохирургический метод. И хотя за последние десятилетия хирургическая практика стала экспоненциально безопаснее, как врач, так и пациент должны проявлять разумную степень осторожности, прежде чем принимать решение приступить к плану лечения DBS. В конечном счете, мы должны работать над тем, чтобы принести как можно больше пользы пациентам, минимизируя при этом их страдания, и иногда нехирургические вмешательства могут быть более безопасными.
Это подводит меня к следующему инструменту в нашем наборе инструментов: транскраниальной магнитной стимуляции.
Транскраниальная магнитная стимуляция
Примерно через 10 лет после того, как Гальваники обнаружили глубокую связь между биологией и электричеством, в Англии родился молодой Майкл Фарадей. У него было мало формального образования, но он сам изучал естественные науки, а позже продолжил изучать химию под руководством знаменитого сэра Хамфри Дэви, возможно, самого известного химика своего времени и первооткрывателя многих распространенных металлов, таких как натрий и калий.
Майкл Фарадей проводил эксперименты в области электрохимии и широко использовал батареи [кстати, первая батарея была создана Алессандро Вольта, собственным учеником Гальвани, возможно, в интересах дискредитации работы Гальвани]. Его исследования привели его к странному открытию, что магнитные поля могут индуцировать электрические токи и наоборот — он назвал это электромагнитной индукцией.
Индукция в настоящее время используется практически в каждом электронном устройстве, которое вы можете найти. Большинство электродвигателей и генераторов работают по этому основному принципу: изменение магнитного поля может привести к возникновению электрических токов, а изменение электрических токов может привести к возникновению магнитных полей.
Конечно, ученые и врачи, обнаружив электрическую природу мозга, ничего так не хотели, как применить электрическую стимуляцию к мозгу больных и наблюдать за результатами. Так родилась электрошоковая терапия и ее более гуманное детище - транскраниальная электростимуляция. Эти методы лечения основаны на основной идее о том, что воздействие электрического напряжения и электрического тока на кожу головы может стимулировать нейронную активность внутри мозга. Результаты лечения пациентов были положительными, но существуют риски и побочные эффекты, и, как правило, эти методы могут вызывать боль у пациентов.
В поисках более щадящих методов лечения доктор Энтони Баркер, физик и инженер по образованию, предположил, что принцип индукции можно использовать для генерации небольших токов в определенных областях мозга. Эта идея стала тем, что сейчас известно как транскраниальная магнитная стимуляция — использование магнитных полей для индукции токов в мозге.
Сегодня TMS нашел применение в качестве одобренного FDA средства лечения клинической депрессии. Ведутся значительные исследовательские работы по определению его полезности при лечении других психических расстройств, а также нейродегенеративных заболеваний. Уже есть некоторые доказательства того, что это может принести пользу пациентам с болезнью Паркинсона. В интересах прозрачности я должен отметить, что во многих исследованиях, проведенных для анализа эффективности TMS, не используются самые строгие стандарты ослепления и плацебо, которые можно ожидать от выдающихся клинических исследований, но я думаю, будет справедливо сказать, что TMSдействительно обещает быть отличной терапевтической помощью.
Самое главное, что TMS неинвазивна. Здесь нет никакого отверстия для головы. Другими словами, если мы сможем разработать протоколы лечения ТМС для большего числа неврологических заболеваний, мы сможем не только улучшить симптомы пациентов, но и снизить риск негативных хирургических исходов. Я с нетерпением жду возможности увидеть будущее неинвазивной нейромодуляции, потому что мне ясно, что в ближайшие годы мы увидим действительно особенные инновации.
Что, если бы мы могли просто сделать это сами?
Нейромодуляторные инструменты - это фантастика. Возможность использовать технологии для непосредственного управления определенными областями мозга, такими как подавление центров зависимости или возбуждение моторной коры, является удивительным достижением в нейробиологии и нейротехнологиях.
Но некоторые нейробиологи могут сказать вам, что у вас нет всей истории. Они надеются, что, возможно, однажды мы сможем вообще не использовать ни один из этих инструментов.
Известно, что наш мозг в некоторой степени пластичен. На ранних этапах развития разные области мозга выполняют разные функции, а структура и функции изменчивы. Вот почему маленькие дети, пострадавшие от травмы головы или операции на головном мозге, обычно выздоравливают более или менее нормально. Некоторым детям даже удалили целые половинки мозга, и они живут в целом нормальной жизнью.
Мозг ребенка — великолепный пример нейропластичности - идея о том, что мозг может меняться, трансформироваться и перестраиваться, чтобы перенять как можно больше функций. Интересно, что с возрастом мы начинаем терять эту способность, но она не исчезает полностью. Некоторые предполагают, что именно нейропластичность мозга позволяет таким инструментам, как TMS и DBS, вообще иметь какую-либо полезность. Они утверждают, что эти инструменты напрямую стимулируют какую-то нейропластическую перестройку для исправления неисправной системы.
Это, вероятно, по крайней мере, часть истории. Это дает мне надежду, что, возможно, однажды, когда мы выясним, как мозг перестраивает сам себя, мы сможем попытаться заставить его исцелиться. Психиатр Норман Доидж подробно пишет на эту тему в своей книге "Мозг, который изменяет себя" и ее продолжении "Мозговой путь исцеления". Предмет и степень, в которой Дойдж делает свои выводы, как правило, противоречивы, поэтому я воздержусь от их подробного обсуждения, но, если не более того, они предоставляют всем нам отличный набор историй, чтобы заставить нас задуматься о чудесной способности нашего мозга меняться и исцеляться после травма.
Куда отсюда ехать?
В 1798 году Луиджи Гальвани тихо скончался в своем доме, потеряв большую часть своих денег и статуса в результате смены режима в Северной Италии после Французской революции. Сегодня, более 200 лет спустя, мы стоим на плечах гигантов, которые опирались на его работы в области электрофизиологии. От тех ранних экспериментов с лягушачьими лапками до нейромодулирующих устройств наш путь завел нас далеко и, я верю, уведет нас еще дальше.
Когда мы начинали это путешествие, я обещал вам, что покажу вам, как мы можем изменить наш мозг. Надеюсь, я убедил вас в этом факте. Я полагаю, что в ближайшие несколько десятилетий мы увидим более широкое использование нейромодуляторных методов в лечении психического здоровья. Еще предстоит выяснить, можем ли мы рассматривать это как изменение мозга или изменение разума. Я позволю вам смириться с этим — честно говоря, я сам с трудом могу ответить с уверенностью.
Если вы больше ничего не убираете, продолжайте ценить то, что вы, возможно, получили за то, как далеко мы продвинулись и как далеко нам еще предстоит продвинуться на нашем пути к разработке инструментов для изучения и лечения самой сложной машины природы — человеческого мозга.