WIE STECKE ICH MEIN GEHIRN AN? INNOVATION | SMITHSONIAN - ARTIKEL, INNOVATION, GESUNDHEIT & MEDIZIN, MAGAZIN, WISSENSCHAFT, KÖRPER & GEIST

Zweihundertfünfunddreißig Jahre nachdem der italienische Wissenschaftler Luigi Galvani berichtet hat, dass zerstückelte Froschschenkel aufgrund einer statischen Aufladung an einem Nerv zucken, erforschen wir immer noch die Geheimnisse dessen, was er "tierische Elektrizität" nennt, insbesondere im Gehirn. Dass das Gehirn einen Teil seiner eigenen Elektrizität erzeugt, die durch ein Elektroenzephalogramm oder EEG erfasst werden kann, ist ebenso bekannt wie die Tatsache, dass einige Neurochirurgen heutzutage manchmal haardünne Elektroden verwenden, um tiefe Hirnstrukturen zu stimulieren und das Zittern von Parkinson zu stoppen. Jetzt geht es den Wissenschaftlern jedoch um eine irrsinnige Frage: Können Niederspannungs-Stromdosen, die über Haare, Haut und Schädel direkt in bestimmte Regionen des Gehirns gelangen, bereits gesunde Menschen schärfer und wacher machen?

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Dieser Artikel ist eine Auswahl aus der Mai-Ausgabe des Smithsonian-Magazins

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Bisher sind die Ergebnisse vielversprechend. In einer Reihe von Studien, die seit 2013 in NeuroImage, Brain Stimulation und anderen Fachzeitschriften veröffentlicht wurden, konnte gezeigt werden, dass tDCS allein die Müdigkeit reduziert und die Leistung verbessert oder bewahrt. Servicemitglieder, die morgens den Strom erhielten, waren weitaus aufmerksamer und aufmerksamer als Kontrollpersonen, als sie am späten Nachmittag getestet wurden. Die Behandlung schien auch ihre Stimmung und ihr Energieniveau zu verbessern. McKinley, der seit 2007 mit tDCS arbeitet, sagt, dass die Wirkung einer 30-minütigen tDCS-Dosis von zwei Milliampere am Morgen „den ganzen Tag anhält“ In einer ähnlichen, noch zu veröffentlichenden AFRL-Studie über Schlafentzug wurden die Probanden 21 Stunden lang wach gehalten und dann entweder mit Koffein, scheinbarem tDCS oder tatsächlichem tDCS behandelt, bevor sie ihre Arbeit für weitere 15 Stunden fortsetzten. Mitglieder der dritten Gruppe waren doppelt so genau darin, Ziele der anderen beiden Gruppen zu finden. Sie berichteten auch über höhere subjektive Stimmungswerte und gaben an, dass sie sich durch das tDCS erfrischt fühlten.

Das von Barbey entworfene Protokoll kombiniert tDCS, Ernährung sowie kognitive und körperliche Betätigung in einem umfassenden Regime mit dem Potenzial, alles von mathematischen Fähigkeiten bis zu abstraktem Denken zu verbessern. Durch seine Arbeit untersucht er die Natur und Struktur des menschlichen Geistes und fragt dabei, was es wirklich bedeutet, klug zu sein.

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Es war seine Arbeit mit einer anderen Generation von Servicemitgliedern, die Barbey die Feinheiten des menschlichen Gehirns lehrte. Zwischen 2007 und 2011 war er wissenschaftlicher Mitarbeiter an den National Institutes of Health und untersuchte eine Gruppe von Vietnam-Veteranen, die ein Hirntrauma erlitten hatten. Der Schaden war durch langsame Splitter- und Schusswunden verursacht worden - er war auf einzelne Bereiche beschränkt, was bedeutete, dass die meisten ihrer kognitiven Funktionen erhalten blieben. Die Orte und Größen ihrer Wunden verursachten unterschiedliche Defizite, darunter Probleme mit dem Gedächtnis, der Sprache und mit höheren kognitiven Funktionen wie Planung und Problemlösung.

Mithilfe eines Prozesses namens Läsionskartierung sammelte Barbey diagnostische Bilder des Gehirns der Veteranen und passte dann die beschädigte Anatomie der Männer an ihre dokumentierten Probleme an. Das Ergebnis war ein Gehirnatlas, der es ermöglichte, bestimmte kognitive Funktionen mit den zugrunde liegenden neuronalen Netzwerken zu verknüpfen.

John McIntire, ein 33-jähriger Ingenieurpsychologe, engagiert sich freiwillig für die transkranielle Gleichstromstimulation auf der Wright-Patterson Air Force Base. (Lynn Johnson)

Die tDCS-Experimente beinhalten das Anbringen von Elektroden am Kopf und das Übertragen von Niederspannungsdosen von Elektrizität, die das menschliche Subjekt nicht fühlen kann. (Lynn Johnson)

McIntire bereitet sich auf tDCS vor. (Lynn Johnson)

Ein Forschungsteilnehmer an der Universität von Illinois macht sich bereit, in ein MRT-Gerät einzusteigen. Die Forscher verwenden diese Daten, um die Gehirnstruktur und -funktion von Probanden zu analysieren, die tDCS erhalten. (Lynn Johnson)

Die Behandlung zielt darauf ab, die Leistung bei einer bestimmten Aufgabe zu verbessern. Hier absolvieren studentische Probanden mithilfe von Tablets ein kognitives Trainingsprogramm als Kurse mit niedrigem elektrischen Strom durch ihr Gehirn. (Lynn Johnson)

Der Neurowissenschaftler Aron Barbey widersetzt sich der Idee von Gehirnladestationen in Einkaufszentren und auf Flughäfen. Tatsächlich möchte er lieber nicht über solche Dinge spekulieren. (Lynn Johnson)

Barbey macht eine Meditationspause. Entsprechend seiner ganzheitlichen Herangehensweise an das Gehirn nimmt er sich jeden Tag Zeit zum Meditieren und findet es besonders hilfreich für den Umgang mit berufsbedingten Belastungen, wie z. B. das Navigieren durch Zuschussvorschläge. (Lynn Johnson)

Terry Brann testet, wie Fitness das Gehirn verbessert. (Lynn Johnson)

Ernährung und kognitive Übungen gehören ebenfalls zu Barbeys Protokoll. (Lynn Johnson)

Forscher verfeinern eine Studie zu Fitness und Gehirn. Mitglieder der Luftwaffe sind gute Untertanen, weil sie körperlich fit sind. (Lynn Johnson)

Die Luftwaffe ist an Barbeys Experimenten interessiert, weil auf Computerbildschirmen vertieftes Personal den Fokus verlieren und müde werden kann. (Lynn Johnson)

Als er diagnostische Bilder von Vietnam-Veteranen sammelte, die ein Hirntrauma erlitten hatten, fand Barbey die Erfahrung "unglaublich tiefgreifend". (Lynn Johnson)

Darauf aufbauend veröffentlichte Barbey mit verschiedenen Co-Autoren eine beeindruckende Reihe von Artikeln, in denen Gehirnnetzwerke für allgemeine Intelligenz, emotionale Intelligenz, kognitive Flexibilität, Arbeitsgedächtnis und mehr identifiziert wurden. In seinem im April 2012 in der Fachzeitschrift Brain veröffentlichten Läsion-Mapping-Meisterwerk haben Barbey und seine Kollegen ehrgeizig eine Architektur für allgemeine Intelligenz und Exekutivfunktionen entworfen - komplexe, zielgerichtete Verhaltensweisen, an denen weit verbreitete Teile des Gehirns beteiligt sind. einschließlich der präfrontalen Kortikalis. Diese Studie, eine der bislang umfangreichsten und umfassendsten ihrer Art, bezog 182 Vietnam-Veteranen ein und kam zu dem Schluss, dass Intelligenz „die Fähigkeit widerspiegelt, verbale, räumliche, motorische und exekutive Prozesse über eine umschriebene Reihe kortikaler Verbindungen effektiv zu integrieren.“ Barbey und sein Team konnten viele dieser Zusammenhänge lokalisieren und beschreiben, wie sie funktionierten.

Barbeys Erfahrung mit den Veteranen hinterließ weit mehr als einen beeindruckenden Lebenslauf. "Es war unglaublich tiefgreifend", sagt Barbey, der jetzt als Herausgeber oder Vorstandsmitglied bei vier Fachzeitschriften, darunter Frontiers in Neuroscience, tätig ist . „Wir verbringen die ganze Zeit damit, diese Theorien zu entwickeln, über die Natur des menschlichen Geistes nachzudenken und wirklich hart zu arbeiten, um die Funktion dieser Hirnnetzwerke zu verstehen. Und es wird dieses sehr wissenschaftliche, sehr technische Unternehmen. Sobald Sie jedoch mit Einzelpersonen, Patienten und Veteranen aus Vietnam zusammenarbeiten, wird sofort klar, dass es um dieses sehr wichtige Thema geht. Und es geht wirklich darum, die Lebensqualität der Menschen zu verbessern und Lösungen für diese sehr schwierigen Probleme zu finden, mit denen sie konfrontiert sind. “

Die verrückte Komplexität des Gehirns selbst ist das größte Hindernis, um solche Probleme anzugehen. Zumindest scheint es so. Diese Komplexität ermöglicht es der Wissenschaft jedoch auch, die Leistung bei einer Vielzahl von Aufgaben zu verbessern - vorausgesetzt, die Forscher wissen, auf welche Netzwerke sie abzielen sollen. Laut Barbey hängt die Stimulierung der richtigen Netzwerke davon ab, welche an einer bestimmten Aufgabe beteiligt sind und in der Lage sind, diese Netzwerke auf die richtige Dosis und Dauer auszurichten. „Woher wissen wir also, ob wir die richtigen Strukturen stimulieren?“, Fragt er. „Es kommt auf die Aufgabe an. Die Aufgabe ist kritisch. “

Im langen Schatten von allem, was wir nicht über das Gehirn wissen, wirft tDCS ein neues Licht darauf, wie es funktioniert. Neuronen sind die Medien für die elektrische Aktivität im Gehirn, aber wie Barbey betont, „gibt es etwa 100 Milliarden von ihnen und sie haben viele Eigenschaften, die uns entgehen.“ Barbeys Forschung konzentriert sich auf die menschliche Intelligenz und Entscheidungsfindung. Die Intelligenz entstehe aus der Interaktion mehrerer Netzwerke des Gehirns, darunter das zentrale Exekutivnetzwerk, ein verteiltes neuronales System (eine Art 3-D-Spinnennetz), das bekanntermaßen Funktionen wie Planung, Problemlösung, Urteilsvermögen und Kommunikation unterstütze Entscheidungen fällen.

In einem typischen tDCS-Experiment, das auf das zentrale Exekutivnetzwerk abzielt, ordnet Barbey die Elektroden so an, dass der Strom durch die Frontal- und Parietallappen geleitet wird, während seine Probanden eine computerbasierte Aufgabe ausführen. In einem solchen Test, der als n-back-Task bezeichnet wird, werden den Teilnehmern Buchstaben angezeigt, und sie müssen sich daran erinnern, ob sie mit Buchstaben übereinstimmen, die sie zuvor gesehen haben.

Laut Barbey verbessert der elektrische Strom die Erregbarkeit der an der Aufgabe beteiligten Neuronen, was die Wahrscheinlichkeit erhöht, dass sie feuern, und die synaptischen Verbindungen zwischen ihnen stärkt. "Neuronen, die zusammen feuern, verdrahten sich", zitiert Barbey ein Axiom des legendären kanadischen Psychologen Donald Hebb. In einer Arbeit vom September 2015 berichteten der AFRL-Wissenschaftler Ryan Jankord und Kollegen, dass 30 Minuten tDCS bei Ratten eine „robuste Verbesserung“ der Verbindungen zwischen Zellen im Hippocampus induzierten, die für das Lernen und das Gedächtnis entscheidend sind.

Beim Menschen scheint tDCS auch zusätzliche Neuronen zu rekrutieren, die ursprünglich nicht an einer Aufgabe beteiligt waren, und so das zu schaffen, was Barbey Subnetzwerke nennt, die die Leistung verbessern. An der Steigerung der Erregbarkeit von Neuronen liege jedoch nichts, fügt er hinzu. „Es ist nur unter bestimmten Bedingungen effektiv, wenn Sie Regionen, die an der Aufgabe beteiligt sind, mit elektrischem Strom versorgen.“ Dies ist ein wesentlicher Bestandteil der Verwaltung von tDCS: Das Subjekt muss die betreffenden Teile des Gehirns aktiv nutzen. Immer vorsichtig betont Barbey jedoch, dass „die zugrunde liegenden biophysikalischen Mechanismen nicht gut charakterisiert sind“. Mit anderen Worten, Forscher sind sich nicht ganz sicher, warum tDCS das tut, was es tut.

Einige haben sich gefragt, ob es überhaupt etwas tut. Im Januar 2015 veröffentlichten der in Australien ansässige Wissenschaftler Jared Horvath und zwei seiner Kollegen eine Analyse von mehr als 200 tDCS-Studien. Ihr Fazit: „Unsere quantitative Überprüfung stützt nicht die Vorstellung, dass tDCS bei gesunden Erwachsenen einen verlässlichen Effekt auf die Kognition hat.“ Das Papier löste eine Kontroverse aus, bei der die Befürworter von tDCS Horvaths Methoden in Frage stellten - er schloss mehr als 170 Studien aus, deren Ergebnisse dies nicht waren wurde von mindestens einem anderen Labor repliziert. Barbey nimmt den Standpunkt von Horvath zur Kenntnis und merkt an, dass tDCS zwar umfassend untersucht wurde, die Begeisterung dafür jedoch „die mechanistischen Theorien übertroffen hat“, wie es funktioniert. Diese Wissenslücken, sagt er, verzögern die Entwicklung effektiverer Protokolle und führen zu einer Vielzahl von Ergebnissen, die nicht erklärt werden können, und eignen sich für Kritiker wie Horvaths.

„Die Menschen haben versucht, ihr Bewusstsein zu ändern, seit sie erkannt haben, dass sie Bewusstsein haben“, sagt Jonathan D. Moreno, Professor für medizinische Ethik und Gesundheitspolitik an der Perelman School of Medicine der University of Pennsylvania. Moreno sagt, er sei von den Fortschritten im Bereich tDCS bisher überwältigt. "Ich denke nur, wir sind noch so viel im Wald, und wir werden es noch lange sein", sagt er. „Es kommt darauf an, wen Sie verbessern wollen und wofür. Du könntest mich niemals dazu bringen, Einstein zu sein, und Einstein braucht wahrscheinlich nicht viel Verbesserung. “

Er ist weniger skeptisch gegenüber dem therapeutischen Einsatz von tDCS, um bei Menschen mit bestimmten Störungen ein gewisses Maß an normaler Funktion wiederherzustellen. "Therapie scheint mehr machbar zu sein als Verbesserung", sagt er. Mehrere Studien in den letzten Jahren haben gezeigt, dass es als wirksame Behandlung für schwere Depressionen, posttraumatische Belastungsstörungen und andere neuropsychiatrische Probleme geeignet ist. Es hat sich auch als vielversprechend für Alzheimer- und Schlaganfallpatienten bei Aufgaben der Wort- und Bilderkennung erwiesen. Und eine Studie aus dem Jahr 2014 ergab, dass tDCS das Sprachenlernen verbessert, was auf sein Potenzial zur Behandlung der durch Schlaganfall verursachten Sprachdefizite hinweist. Forschungen der Luftwaffe, die nichts mit klinischen Störungen zu tun haben, können auf einen weiteren potenziellen Nutzen von therapeutischem tDCS hinweisen: Forscherteams in Deutschland, Brasilien und den USA haben festgestellt, dass zwei Wochen tägliches tDCS zu Wochen oder sogar Monaten verbesserter Leistung führen können eine sehr spezifische aufgabe. "Es sieht so aus, als würden Sie die neuronalen Verbindungen im Gehirn nachhaltig verändern", sagt McKinley.

Ein 42-monatiges Projekt namens Insight könnte konkretere Antworten liefern. Barbeys Labor startete das Programm im Jahr 2014 mit Mitteln in Höhe von 12, 7 Mio. USD, die vom Büro des Direktors des Nationalen Nachrichtendienstes bereitgestellt wurden. Es ist eine der umfangreichsten Studien, die jemals durchgeführt wurde, um die Fähigkeit zu erkennen, unter neuartigen Bedingungen zu argumentieren. Erklärtes Ziel der Regierung ist es, das adaptive Denken und die Fähigkeiten des Geheimdienstpersonals zur Problemlösung zu verbessern. Unter der Aufsicht von Barbey erhalten 1.000 gesunde Freiwillige im Alter von 18 bis 44 Jahren (viele von ihnen Studenten der University of Illinois) Dosen von tDCS, während sie kognitive Trainingsübungen durchführen, die diese Fähigkeiten testen. Aber das ist nur ein Teil des Protokolls: Sie werden auch in körperlicher Fitness trainiert und ihre Ernährung und Ernährungsgesundheit werden überwacht.

Übung scheint im Vergleich zu tDCS Low-Tech zu sein. Aber Barbey interessiert sich genauso für die Kraft des Schweißes wie für das Potenzial der Elektrizität. Er ist an einem separaten Projekt mit der Luftwaffe beteiligt, in dessen Mittelpunkt das Intervalltraining mit hoher Intensität steht. Übung allein hat sich bereits als mindestens so effektiv wie tDCS zur Verbesserung der kognitiven Leistung erwiesen. Laut Barbey ist die endgültige klinische Studie noch nicht abgeschlossen, doch mehr als 40 Jahre Forschung haben ergeben, dass das Volumen der grauen Substanz bei älteren Erwachsenen mit aeroben Konditionen zunimmt und das Risiko eines kognitiven Rückgangs bei Personen, die regelmäßig Sport treiben, um 40 Prozent sinkt. Alzheimer-Patienten, die an akuten Trainingsprogrammen teilnehmen, haben einen erhöhten neurotrophen Faktor im Gehirn, ein Protein, das die Gesundheit und das Wachstum von Gehirnzellen fördert.

Sport wirkt sich laut Barbey besonders eindrucksvoll auf die Führungsfunktionen aus. "Wenn wir jetzt nach draußen gehen und mit voller Geschwindigkeit bis zum Ende der Straße rennen und dann mit voller Geschwindigkeit den ganzen Weg zurück rennen würden", sagt Barbey, "wenn wir uns hier hinsetzen, um unser Gespräch fortzusetzen, würden wir es tun." Seien Sie aufmerksamer, unser Gedächtnis würde verbessert, wir hätten bessere Kontrollfunktionen, und diese Effekte würden etwa 20 bis 30 Minuten anhalten. “

Barbey möchte auch die Auswirkungen der Ernährung auf die Gesundheit und das Erkennen des Gehirns verstehen. "Wir wissen, dass man, wenn man ein Athlet sein will, bestimmte Dinge essen und sich auf bestimmte Arten körperlicher Aktivität einlassen muss", sagt er. „Diese Ernährung wirkt sich auch auf das Gehirn aus.“ Die Probanden in seinem Air Force-Projekt erhalten eine spezielle Ergänzung, die von Barbeys Labor in Zusammenarbeit mit Abbott Nutrition erstellt wurde. Die Formel ist urheberrechtlich geschützt, enthält jedoch laut Barbey Inhaltsstoffe zur Förderung der Muskelkraft, der Herz-Kreislauf-Gesundheit und der aeroben Fitness sowie der Gehirngesundheit. "Darüber hinaus haben wir spezifische Ernährungsprofile, von denen wir vermuten, dass sie eine wichtige Rolle bei der Verbesserung der Gehirngesundheit und der kognitiven Fähigkeiten spielen", sagt er. Kurz gesagt, Barbey glaubt, dass Bewegung und Ernährung dauerhafte, ganzheitliche Vorteile bieten können, die nur durch die Stimulierung spezifischer Hirnnetzwerke wahrscheinlich nie erreicht werden können.

Dennoch bleibt tDCS die exotischste Intervention. Es ist verlockend anzunehmen, dass mehrere Behandlungssitzungen die allgemeine Intelligenz erhöhen könnten, anstatt lediglich die Leistung bei der vorliegenden Aufgabe zu verbessern. Aber Barbey hat keine Beweise dafür gefunden, dass tDCS eine Person auf ganzer Linie schlauer machen kann. "Die Antwort scheint nein zu sein", sagt er.

Dies ist einer der Gründe, warum er sich eine Zukunft vorstellt, in der Menschen gezielte tDCS zusammen mit Änderungen des Lebensstils einsetzen werden: Letztere verbessern ihre allgemeine Gesundheit und geistige Leistungsfähigkeit, während erstere bestimmte kognitive Fähigkeiten verbessern werden. Wie Barbey es sieht, wird die Reihe der Interventionen von den Zielen eines Individuums abhängen. Ein Proband möchte möglicherweise ein verbessertes Arbeitsgedächtnis und muss die beteiligten Hirnnetzwerke verbessern. "Die Fähigkeit, eine maßgeschneiderte Intervention zu entwickeln, hängt vom Verständnis der zugrunde liegenden Mechanismen ab", sagt Barbey. "Wenn wir die Mechanismen nicht verstehen, können wir sicherlich keine Maßschneiderei erreichen."

Aber Barbey weiß, dass seine Arbeit eine alternative Zukunftsvision bietet, in der sich Menschen in allen möglichen privaten und kommerziellen Umgebungen routinemäßig zu Brain-Charging-Sitzungen zusammensetzen können. Er würde lieber nicht über solche Dinge spekulieren, aber als er darüber nachdachte, ob dieses Modell in 50 Jahren existieren könnte - eine Art LensCrafter für das Gehirn -, sagt er: „Vorausgesetzt, wir sind auf dem richtigen Weg, vorausgesetzt, dass tDCS tatsächlich existiert kann robuste Verbesserungen hervorbringen, dann ja. “Dann kehrt er schnell zur heutigen Realität zurück. „Aber wir lernen immer noch über diese Methoden und führen immer noch Experimente durch, um ihre Wirksamkeit zu bewerten. Es ist also noch zu früh. Und genau das passiert mit dem Kommerz. Sie gehen viel zu schnell. “Barbey sieht die kommerzielle Branche für Gehirntraining insgesamt schlecht und möchte nicht, dass die Leute seine Arbeit mit ihren Angeboten in Verbindung bringen. Millionen von Smartphone-Nutzern haben beispielsweise Spiele wie Lumosity heruntergeladen, die angeblich das Gedächtnis erheblich verbessern. "Es gibt definitiv Hinweise darauf, dass man ein funktionierendes Memory-Spiel besser beherrscht, wenn man ein funktionierendes Memory-Spiel spielt", sagt er. "Was weniger klar ist, ist, ob dies andere Auswirkungen hat." (Barbeys Skepsis verstärkte sich im Januar, als Lumosity sich bereit erklärte, 2 Millionen US-Dollar für die Begleichung von Gebühren für irreführende Werbung zu zahlen, die den kognitiven Verfall verlangsamen könnten. Ein Urteil in Höhe von 50 Millionen US-Dollar wurde ausgesetzt weil die Firma das Geld nicht hatte.)

Barbey besteht darauf, dass es in den Neurowissenschaften keine Abkürzungen gibt. Mindestens zwei kommerzielle tDCS-Geräte, Halo und Thync, sind derzeit verfügbar, aber der Vorschlag, dass es möglich ist, durch einfaches Drücken eines Schalters oder Spielen eines Spiels intelligenter zu werden, bestürzt ihn. "Wir müssen wirklich den harten Weg gehen", sagt er. Für Barbey verlangt das Gehirn nicht weniger.