Blog

To nie jest kolejny w Twoim życiu tekst o tym, że możesz wszystko. Nie możesz. Nie będzie to także rzecz o myśleniu pozytywnym. Łatwo powiedzieć, a czasem jest to zbyt trudne. Nie piszę o wizualizacjach, motywacji ani o… cudach? No właśnie. Chyba jednak o cudach. Bo czy nie jest cudowny fakt, że możemy się komunikować z osobą, u której stwierdzono stan wegetatywny? Czy sterowanie urządzeniami mechanicznymi za pomocą myśli nie jest niezwykłe? To będzie tekst o neuronauce, o tym jak jej osiągnięcia zmieniają naszą wiedzę i przekonania na temat tego, co jest możliwe…

Zapnij pasy... wchodzimy do głowy

Mówiąc o neuronaukach, wpływaniu na rzeczywistość za pomocą naszych myśli i stosowaniu specjalnych implantów do poprawiania funkcjonowania układu nerwowego nie sposób nie zacząć od wyjaśnienia jak w ogóle działa mózg – 1,5 kg naturalny procesor sterujący naszymi zachowaniami. Nasz najważniejszy narząd składa się z 86 miliardów komórek (nerwowych i glejowych). Ich ciągła komunikacja w trakcie całego życia jest podstawą wszystkiego, co czujemy, myślimy i robimy. W jaki sposób komórki te rozmawiają ze sobą? Poprzez przekazywanie sobie impulsów elektrycznych. Spróbujmy to prześledzić na przykładzie czuciowo-ruchowym.

Już będąc małym chłopcem lubiłem eksplorować otoczenie. Pewnego ciepłego, letniego dnia moi dziadkowie urządzili w ogródku rodzinnego grilla. Czekając na kiełbaski, zainteresowałem się dlaczego wewnątrz paleniska drewienka zmieniły kolor na biały. Chcąc to zbadać, długo się nie zastanawiałem, włożyłem rękę do środka i chwyciłem niezwykły biały patyk. Jakież było moje zdumienie, gdy okazało się, że dotknięcie kawałka drewna może boleć! W tym momencie zakończenia moich nerwów w dłoni zorientowały się, że maluch, któremu służą, nie do końca ogarnia rzeczywistość. Pod wpływem ciepła wygenerowały sygnał elektryczny (iglicę), który w mgnieniu oka przedostał się łukiem czuciowym do rdzenia kręgowego. Na miejscu czekał już gotowy do pracy interneuron, którego zadaniem było przekazanie impulsu dalej do ośrodkowego układu nerwowego. Między neuronami znajdują się puste przestrzenie, miejsca, w których dochodzi do komunikacji – synapsy. Po jednej jej stronie jest akson komórki przekazującej informację, po drugiej zaś dendryt komórki odbierającej. Potencjał elektryczny był na tyle silny, że wywołał uwolnienie do przestrzeni międzysynaptycznej neuroprzekaźników, które przeniosły go do sąsiadującego neuronu. Interneuron oznajmił neuronowi ruchowemu, że jest robota do zrobienia i lepiej się pospieszyć. Neuron ruchowy widząc co się święci, od razu (zdążył w międzyczasie ponarzekać na warunki pracy) wysłał w drugą stronę sygnał do ręki, aby ta puściła rozżarzone drewno i opuściła wnętrze pieca. Wszystko trwało milisekundy.

Przykład, który podałem opisuje prosty łuk odruchowy. Takich odruchów mamy więcej, dzięki nim bez udziału świadomości jesteśmy stanie uniknąć podstawowych niebezpieczeństw. (Wiedza w tym zakresie pomaga obecnie prowadzić badania nad tłumieniem stanu zapalnego, np. w reumatoidalnym zapaleniu stawów. Okazuje się, że można w tym celu wykorzystać nerw błędny, który po wstrzyknięciu do mózgu eksperymentalnego leku oznaczonego jako CNI-1493, hamuje powstawanie stanu zapalnego w narządach, do których ma dostęp, m.in. w śledzionie.) Jednak w ten sam sposób, tzn. przez przekazywanie i odbieranie sygnałów elektrycznych, nasze komórki nerwowe pracują umożliwiając nam także wyższe funkcje, jak planowanie działań, kontrola zachowania, uczenie się i zapamiętywanie. Wejście do świata myśli było możliwe tylko poprzez poznanie tych podstaw funkcjonowania mózgu i całego układu nerwowego. Jednak w jaki sposób to nastąpiło? Jakie techniki i metody dały nam taki wgląd w pracę tego niezwykłego mechanizmu?

Czytanie mózgu

Najpopularniejsze techniki badania aktywności mózgu to PET (pozytonowa tomografia emisyjna), fMRI (czynnościowy jądrowy rezonans magnetyczny) oraz EEG (elektroencefalografia). Wszystkie one dają nam informacje o funkcjonowaniu mózgu, jednak bazują na różnych procesach i mają swoje ograniczenia. PET opiera się na promieniowaniu rentgenowskim, co ogranicza jego stosowanie w tych wypadkach, gdy na bieżąco trzeba monitorować pracę mózgu. EEG jest metodą nieinwazyjną, polegającą na odczytywaniu fal z powierzchni kory mózgowej, jednak minusem jest brak możliwości precyzyjnego określenia, które neurony podlegają aktywacji, w związku z dużym obszarem poddawanym analizie. Rezonans magnetyczny bazuje na przepływie krwi, który koreluje ze zwiększoną aktywnością mózgu w danym obszarze, jednak także i on nie daje precyzyjnych informacji o funkcjonowaniu pojedynczych neuronów.

Obecnie badania idą w kierunku opracowania innowacyjnych, możliwie najbardziej precyzyjnych technik. W tym celu tworzone są mikroczipy. Są to malutkie macierze o powierzchni kilku milimetrów kwadratowych zbudowane z milimetrowych elektrod (ok. 100 na jednej macierzy). Przy pomocy interwencji chirurgicznej są one umieszczane w rejonie, który chcemy obserwować lub na który chcemy wpływać poprzez stymulację elektryczną. Jeden czip może badać aktywność 100-200 neuronów.  Jest to niestety nadal metoda inwazyjna.

Warto tutaj wspomnieć także o zapoczątkowanej przez administrację Baracka Obamy inicjatywie BRAIN (Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies Initiative). W jej ramach opracowuje się nowe techniki służące badaniom mózgu, w tym bez wykorzystania czujników elektrycznych. Kluczowe w tym względzie mogą okazać się optogenetyka i optochemia. Metody te stosuje się już w badaniach z udziałem zwierząt. Po odpowiednich modyfikacjach genetycznych ich neurony zaczynają produkować białka wrażliwe na światło. W następstwie wystawienia na działanie światła o odpowiedniej długości fali neurony aktywują się lub wygaszają. Pozwala to badaczom na bieżąco „włączać” i „wyłączać” neurony bez ingerencji chirurgicznej. Optochemia natomiast nie wymaga modyfikacji DNA. Polega ona na wprowadzeniu do organizmu, np. w pigułce substancji wrażliwej na światło, połączonej z neurotransmiterem. Pod wpływem impulsu świetlnego neurotransmiter oddziela się i łączy z receptorem w komórce, co powoduje jej aktywację.

Skoro poznaliśmy już, w jaki sposób działa mózg i jak możemy sprawdzać jego aktywność mogliśmy się zastanowić jak to wykorzystać? Czy jesteśmy w stanie sterować naszymi myślami tak, aby wywołać określoną aktywność? Przezwyciężyć ograniczenia ciała?  Czy istnieje sposób na wysyłanie do mózgu kontrolowanych sygnałów z zewnątrz, wpływających na jego pracę, tak aby wzmocnić pozytywne odczucia i zachowania, a wyeliminować te, które nam przeszkadzają? Badania z obszaru neuronauk (w tym neurobiologii czy neuroinżynierii) w ostatnich latach pokazały nam jak wielki potencjał drzemie w eksplorowaniu możliwości naszych biologicznych komputerów. Oto kilka przykładów.

Proszę, rozmawiaj ze mną. Wciąż jestem

Wyobraź sobie następującą sytuację. Jest piękny, słoneczny dzień. Jedziesz swoim nowym autem wzdłuż malowniczej trasy nad brzegiem morza, podziwiasz zachód słońca, z głośników słyszysz dźwięki muzyki ulubionego wykonawcy. Jadący z naprzeciwka kierowca zasłabł i zjechał na twój pas. Za moment wszystko się skończy. Przerażenie, huk… potem już tylko ciemność i cisza. Ale ty wciąż jesteś, przeżyłeś. Niestety na skutek przerwania rdzenia kręgowego i ciężkiego uszkodzenia mózgu nie jesteś w stanie przekazać tego światu. Nie masz władzy nad swoim ciałem, nie możesz nawet wodzić oczami ani poruszać powiekami. Myślisz, wiesz co się dzieje, jednak nikt sobie z tego nie zdaje sprawy. Zgodnie z wszelkimi kryteriami diagnostycznymi zostajesz uznany za osobę w stanie wegetatywnym.

Okazuje się, że podobnych przypadków wśród osób pozostających bez możliwości nawiązania kontaktu i reagowania na bodźce zewnętrzne po uszkodzeniach mózgu może być nawet 17-19%. Mogły być one diagnozowane jako będące w stanie wegetatywnym nawet przez kilka-kilkanaście lat… Dzięki staraniom zespołów badawczych, m.in. pod kierunkiem prof. A.M. Owena z Western University w Ontario i wykorzystaniu czynnościowego jądrowego rezonansu magnetycznego (fMRI) wiemy, że jest możliwe nawiązanie kontaktu z tymi osobami.

W badaniach nad tym zagadnieniem skupiono się na sprawdzeniu zdolności do reagowania na polecenia oraz odpowiadania na złożone pytania. Niestety w opisywanych przypadkach nie wchodziło w grę reagowanie za pomocą choćby mrugania powiekami - w ten sposób swoje wspomnienia podyktował Jean-Dominique Bauby, który na skutek udaru mózgu zapadł na syndrom zamknięcia (można je znaleźć w książce pt. Skafander i motyl). Jedyną drogą było zbadanie aktywności mózgu przy próbie wykonania w myślach postawionego zadania. Sukces pojawił się już przy pierwszej próbie! Pacjentkę, która po wypadku samochodowym przez 5 miesięcy nie reagowała na żadne bodźce, poproszono: „Jeśli mnie słyszysz, wyobraź sobie, że grasz w tenisa”. Naukowcy byli w szoku, gdy okazało się, że w mózgu kobiety aktywowały się wówczas obszary odpowiedzialne za planowanie i wykonywanie ruchu (tak jak u zdrowych osób z grupy kontrolnej, którzy wyobrażali sobie tę aktywność), tj. kora przedruchowa. Badaną poproszono również, aby wyobraziła sobie spacer po własnym mieszkaniu… i jak się okazało również wówczas schemat aktywności mózgu zgadzał się z typowym dla osób zdrowych i w pełni świadomych (aktywowane zostały obszary w płacie ciemieniowym i zakręcie przyhipokampowym odpowiedzialne za orientację przestrzenną). Polecenia powtarzano jeszcze wielokrotnie i za każdym razem reakcja pacjentki była prawidłowa, kobieta nie reagująca dotąd na bodźce zewnętrzne komunikowała się z badaczami!

Te same polecenia stosowano również w kontakcie z innymi pacjentami. Jeden z nich, mężczyzna od 5 lat uznawany za pozostającego w stanie wegetatywnym na skutek uszkodzenia mózgu, był w stanie udzielać odpowiedzi na pytania dotyczące własnego życia. Odpowiedź „tak” była związana z wyobrażaniem sobie gry w tenisa, natomiast odpowiedź „nie” z myśleniem o poruszaniu się po swoim mieszkaniu. W ten sposób badany był w stanie prawidłowo podać imię swojego ojca, wskazać miejsce, w którym spędził wakacje przed wypadkiem oraz odpowiedzieć na inne pytania…

Myśli pacjentów w tych oraz w innych badanych przypadkach miały wielką moc sprawczą. Uaktywniały obszary w mózgu tak samo, jak ma to miejsce w przypadku osób zdrowych. Co jednak jeszcze ważniejsze udowodniły, że kontakt z osobami nie reagującymi na żadne bodźce zewnętrzne w niektórych przypadkach jest nadal możliwy. Ma to kluczowe znaczenie z perspektywy poprawy jakości funkcjonowania takich osób, włącznie z tak delikatnymi kwestiami jak przedłużanie życia. Część z nas, osób zdrowych, może w tym momencie pytać, czy takie życie ma sens? Warto przytoczyć tutaj badania z 2011 r., w których większość spośród 65 pacjentów z zespołem zamknięcia stwierdziła, że jest zadowolona z jakości życia. Wniosek: mamy większe możliwości adaptacyjne do trudnych sytuacji niż nam się wydaje.

Jeszcze raz wyjść na piwo

Tetraplegia oznacza czterokończynowy paraliż na skutek uszkodzenia rdzenia kręgowego w odcinku szyjnym. Osoby tym dotknięte nie mają władzy nad ciałem, nie mogą odbierać bodźców czuciowych ani wykonywać ruchów poniżej miejsca uszkodzenia. Od 15 lat prowadzone są badania mające na celu stworzenie interfejsu mózg-maszyna, za pomocą którego tacy pacjenci, posługując się tylko myślami, byliby zdolni poruszać się, a nawet odbierać wrażenia dotykowe.

W 2010 r. 19-letni wówczas Ian Burkhart, podczas pływania w oceanie, został z potężną siłą uderzony przez falę i wyrzucony na mieliznę. Na skutek tego wypadku doznał złamania dwóch kręgów w odcinku szyjnym. Diagnoza była druzgocząca, jednak mężczyzna nie poddał się i aktywnie poszukiwał pomocy. W ten sposób trafił na naukowców z Ohio State i wziął udział w ich projekcie badawczym. Dzięki temu kilka lat później był w stanie nalać wody z butelki, zamieszać kawę, czy użyć karty kredytowej. Jak do tego doszło? W korze ruchowej Iana (w obszarze odpowiedzialnym za kontrolę ruchów prawej ręki) umieszczono chip wielkości małego groszku, złożony z 96 mikroelektrod. Został on połączony przewodem z niewielkim dyskiem umieszczonym na czubku głowy. Struktura taka może być wykorzystywana jako port do podłączenia głowy do komputera. Tak też było w tym przypadku. Dodatkowo na prawą rękę Burkharta założono elektroniczny mankiet, również podłączony do komputera.

Przed Ianem postawiono zadanie, aby wyobrażał sobie ruch, który chce wykonać. Elektroniczna matryca w jego głowie przechwytywała informacje płynące z sąsiadujących neuronów i przekazywała je do komputera. Tam następowało dekodowanie sygnału tak, aby znając dotychczasowe wzorce aktywności, określić ruch jaki pacjent chciał wykonać. Wizualizacja tego ruchu była prezentowana na ekranie, co umożliwiało dokonanie korekty. Mankiet na ramieniu mężczyzny pobudzał jego mięśnie zgodnie z instrukcjami przesyłanymi przez komputer… Ian wykonywał ruch ręką zgodny z powziętym zamiarem. Oczywiście nie stało się tak od razu. Cały proces wymagał wielu powtórzeń, cotygodniowych wizyt w laboratorium, w czasie których Ian uczył się obsługi systemu, zaś system uczył się odpowiednio interpretować to, jaki ruch jest w danej sytuacji pożądany. Badany określił to jako próbę dogadania się z kimś, kto mówi w zupełnie obcym języku. Próby te dały jednak spektakularne efekty – po kilku latach od rozpoczęcia pracy pacjent był nawet w stanie samodzielnie zagrać w Guitar Hero!

Równie ciekawe podejście prezentuje prof. R. Andersen z California Institute of Technology (Caltech). Wraz z zespołem opracował on interfejs, który pozwala jego pacjentowi, Erikowi Sorto (sparaliżowanemu w wyniku ran postrzałowych) na sterowanie robotycznym ramieniem za pomocą myśli. Podobnie jak w poprzednim przypadku, Erikowi wszczepiono macierz 4x4 mm, zawierającą 100 malutkich elektrod o długości 1-1,5 mm. Różnicą jest jednak umiejscowienie macierzy. Nie zainstalowano jej w korze ruchowej, a w tylnej korze ciemieniowej, obszarze asocjacyjnym, w którym powstaje zamiar wykonania ruchu. Według prof. Andersena umożliwia to szybsze i precyzyjniejsze ruchy. Także i w tym wypadku komputer dekoduje informacje o aktywności neuronalnej napływające z macierzy, uzupełnia je o sygnał z kamery lub dane o ruchu gałek ocznych i na tej podstawie uruchamia działanie robotycznego ramienia zgodne z wolą Erika. Mężczyzna, zapytany na początku badania, co chciałby najbardziej zrobić, stwierdził, że marzy, aby jeszcze raz samodzielnie móc napić się piwa. Po roku osiągnął swój cel 😊

Obecnie naukowcy pracują intensywnie również nad przekazywaniem sygnałów w drugą stronę, to jest do mózgu pacjenta. W tym celu, podobne do opisanych wcześniej, implanty są umieszczane w korze somatosensorycznej badanego i łączone z neuroprotezą, z której odbierają sygnały czuciowe! Podobne badania prowadził już R. Gaunt z University of Pittsburgh oraz wymieniony wcześniej prof. Andersen z Caltechu. W obu wypadkach wyniki były pozytywne. Pacjenci odbierali doznania dotykowe, a nawet czuli, że kończyna porusza się, co wskazuje na odzyskanie propriocepcji. Co jest dalej? Dalej są na przykład egzoszkielety zastępujące całe niesprawne ciało. Pokazuje to, że dla naszego mózgu ciało jest tylko narzędziem, które w razie potrzeby można zastąpić…

Mózg w depresji... restart systemu

Depresja jest jednym z największych zagrożeń dla zdrowia XXI wieku. Szacuje się, że w samych Stanach Zjednoczonych epizodu depresyjnego doznaje w ciągu życia nawet 17% populacji. 15% przypadków kończy się samobójstwem. Z tej choroby da się wyjść, jednak jej leczenie nie należy do łatwych, a stosowane obecnie metody w postaci psychoterapii, leków, czy w skrajnych przypadkach nawet elektrowstrząsów nie zawsze daje pożądane rezultaty. Dzisiaj pojawia się jeszcze jeden sposób walki z depresją – głęboka stymulacja mózgu.

Depresja, podobnie jak inne zaburzenia psychiczne, jest związana z nieprawidłowym funkcjonowaniem obwodów neuronalnych. Badania zmierzające do poznania jakie struktury są najbardziej dotknięte przez depresję prowadziła jeszcze w latach 90. prof. H. Mayberg z Emory University. Tomografia wykazała, że w mózgach osób dotkniętych depresją można zaobserwować zwiększony przepływ krwi, a co za tym idzie zwiększoną aktywność, w okolicach ciała modzelowatego (pole Brodmanna 25 w środkowej części mózgu) i jednocześnie zmniejszoną proporcjonalnie do stopnia doświadczanego smutku aktywność w obszarach czołowych związanych z procesami motywacyjnymi i wykonawczymi. Co ciekawe, zanotowano także zwiększoną aktywność neuronów w polu 25 podczas oglądania przez badanych smutnych lub niepokojących obrazków oraz brak aktywności przy oglądaniu radosnych lub neutralnych zdjęć. Kolejne eksperymenty pokazały pozytywny wpływ leków antydepresyjnych na aktywność neuronalną tych obszarów, co korelowało również ze zmianami zachowania. Stąd wyprowadzono wniosek, że stymulacja elektryczna wskazanych miejsc może mieć pozytywny wpływ na samopoczucie pacjenta.

W przeprowadzonym w 2003 r. przez prof. A. Lozano i prof. H. Mayberg eksperymencie, pacjentce wszczepiono elektrody w polu 25 zarówno w lewej jak i prawej półkuli. W zaledwie kilka sekund po stymulacji kobieta odczuła spokój i rozluźnienie emocjonalne oraz zmniejszenie bólu psychicznego. Po zwiększeniu siły impulsu opisała swoje wrażenie, jakby wszystko dookoła nagle z czarno-białego zmieniło się na kolorowe. Badania w kolejnych latach potwierdziły zarówno natychmiastowy efekt takiej stymulacji, jak również jego długotrwałe działanie antydepresyjne (co najmniej 50% zmniejszenie wyników na skalach depresji w ciągu pół roku u 40-70% osób poddanych tej terapii). Opisywana metoda nie wymaga oczywiście ciągłych wizyt w szpitalu, jest jednak inwazyjna dlatego powinna być stosowana tylko w wypadkach, kiedy psychoterapia i leki nie przynoszą skutku. Elektrody są umiejscawiane blisko obszaru ciała modzelowatego i połączone z kablem biegnącym pod skórą do umiejscowionego pod obojczykiem generatora impulsów. Generator pobudza wskazany fragment mózgu 130 impulsami na sekundę. Nowa metoda jest ciągle rozwijana, jednak jej efekty są na tyle pozytywne, że została już zastosowana także do leczenia anoreksji.

Podsumowując

Jestem fanem filmów i komiksów Marvela. To dopiero coming out! Zbroja Iron Mana, umiejętność manipulowania rzeczywistością Scarlet Witch, czy pajęczy zmysł Spider-Mana od dzieciństwa mocno oddziaływały na moją wyobraźnię… i prowokowały pytanie: dokąd zmierzamy jako ludzie? Homo erectus opanował posługiwanie się ogniem, Homo sapiens sapiens stworzył organizacje charytatywne, wynalazł szczepionki i masową produkcję wafli torcikowych… Do czego mogą być zdolni nasi następcy? Badania z obszaru neuronauk już dzisiaj wskazują nam, że jesteśmy czymś więcej niż workiem na kości i mięśnie. Pokazują, że nasze umysły potrafią przezwyciężyć ograniczenia ciała, a także, że stymulacja określonych fragmentów mózgu może zmienić nasz sposób odczuwania i postrzegania świata. Czy to jest kolejny krok? Czy nasi potomkowie za kilka pokoleń będą wpływać na umysł i komunikować się bez słów z taką łatwością, jakby korzystali z aplikacji w smartfonie?

M.

Do poczytania:

Andersen, R. Wystarczy myśl w: Świat Nauki nr 5/2019 s. 24-31

Bhattacharjee, Y. Forward motion w: Scientific American Mind nr 5-6/2017 s. 56-63

Cullen, D.K., Smith, D.H. Bioniczne łącza w: Świat Nauki nr 2/2013 s. 48-53

Fletcher, S. Miękkie, elektroniczne sondy, wstrzykiwane do mózgu w: Świat Nauki nr 1/2016 s. 26

Gabrieli, J. Spojrzenie do środka w: Świat Nauki nr 4/2018 s. 54-59

Lozano, A.M., Mayberg, H.S. Leczenie depresji u źródeł w: Świat Nauki nr 4/2015 s. 54-59

Koch, C. Contacting stranded minds w: Scientific American Mind nr 5-6/2017 s. 20-23

Makin, S. Mózgowe kody paskowe w: Świat Nauki nr 11/2018 s. 10

Nicolelis, M.A.L. Poruszająca myśl w: Świat Nauki nr 10/2012 s. 42-47

Owen, A.M. Czy jest tam kto? w: Świat Nauki nr 6/2014 s. 46-51

Nuwer, R. Wzrokowy interfejs w: Świat Nauki nr 1/2016 s. 24

Sejnowski, T., Delbruck, T. Język mózgu w: Świat Nauki nr 11/2012 s. 38-43

Shen, H. Tajemnice mózgu w: Świat Nauki nr 4/2018 s. 11

Tracey, K.J. Medycyna wstrząsów w: Świat Nauki nr 4/2015 s. 24-31

Weintraub, K. Aromaterapia w: Świat Nauki nr 5/2019 s. 8-10

Yuste, R., Church, G.M. Nowa era badań mózgu w: Świat Nauki nr 4/2014 s. 22-29