Duecentotrentacinque anni dopo che lo scienziato italiano Luigi Galvani ha riferito che le zampe di rana smembrate si contraggono in risposta a una carica statica applicata a un nervo, stiamo ancora esplorando i misteri di quella che chiamava "elettricità animale", specialmente nel cervello. Che il cervello generi un po 'della sua stessa elettricità, che può essere rilevato da un elettroencefalogramma o EEG, è ben noto, come è il fatto che alcuni neurochirurghi oggi a volte usano elettrodi sottili per stimolare le strutture cerebrali profonde e fermare i tremori del Parkinson. Ma ora gli scienziati stanno esplorando una domanda che è sbalorditiva: le dosi di elettricità a bassa tensione, trasmesse attraverso i capelli, la pelle e il cranio direttamente in particolari regioni del cervello, possono rendere le persone sane più acute e più vigili?
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AcquistareAron Barbey, un neuroscienziato di 39 anni dell'Università dell'Illinois, è un leader in questa ricerca, sebbene sia estremamente cauto nelle sue prospettive. Resiste all'idea che i centri commerciali e gli aeroporti di domani presenteranno stazioni di ricarica del cervello commerciali, versioni aggiornate delle fermate di massaggio di oggi, ma se quel futuro (o qualcosa del genere) si realizzerà, il suo lavoro avrà avuto un ruolo fondamentale nel realizzarlo . Barbey è il direttore del Decision Neuroscience Laboratory della UI presso il Beckman Institute for Advanced Science and Technology dell'università, e i suoi esperimenti sembrano indicare un momento in cui studenti, soldati, dirigenti e anziani potrebbero trarre beneficio da un trattamento chiamato corrente transcranica diretta stimolazione (tDCS).
In una stanza senza finestre della base aerea di Wright-Patterson, vicino a Dayton, nell'Ohio, guardo John McIntire, un volontario civile di 33 anni, ricevere il TDC. Si siede al computer, facendo clic su una serie di minuscole luci lampeggianti, una benda di garza avvolta sotto il mento e sulla parte superiore della testa. La benda mantiene un piccolo gruppo di elettrodi in posizione nella parte superiore sinistra della sua testa. C'è un altro gruppo di elettrodi sul braccio in alto a destra. I fili di una piccola scatola blu sulla scrivania portano una debole carica elettrica che scorre dalla scatola agli elettrodi sulla sua testa e giù attraverso il suo cervello agli elettrodi sul braccio. I ricercatori ritengono che la corrente stia colpendo alcune aree chiave del suo cervello medio, tra cui il locus coeruleus, che rilascia noradrenalina ed è coinvolto nell'attenzione e nella veglia.
"Mi sento bene", afferma McIntire alla fine della sessione di 30 minuti. Ha provato sensazioni fisiche mentre la corrente gli attraversava il cervello? "No", dice, "Non posso davvero dire se sto ricevendo il trattamento o meno." Poiché si tratta di uno studio in doppio cieco, alcuni soggetti ricevono falsi TDC, senza corrente. (McIntire ha capito davvero.) I ricercatori affermano di non aver visto effetti collaterali significativi, ma solo alcune sensibilità cutanee degli elettrodi. Alcuni soggetti che ricevono TDC dopo segnalano mal di testa, ma anche alcuni di coloro che ricevono trattamenti sham.
Lo studio in corso presso Wright-Patterson è una collaborazione tra il gruppo di Barbey e l'Air Force Research Laboratory (AFRL). È solo uno dei tanti esperimenti che Barbey ha lanciato con importanti partner di ricerca. "Il nostro obiettivo", dice, "è comprendere i meccanismi neurali che sono alla base dell'intelligenza umana e del processo decisionale - come l'intelligenza e il processo decisionale sono implementati nel cervello - e quindi utilizzare quella conoscenza per sviluppare questi nuovi interventi".
Non è difficile capire perché l'Aeronautica sarebbe interessata a ciò che Barbey ha da offrire. Molti membri del personale trascorrono fino a 12 ore al giorno, sei giorni alla settimana, guardando le immagini delle immagini di sorveglianza e cercando di identificare i loro segni sui droni. La ricerca mostra che le loro prestazioni iniziano a diminuire dopo soli 20 minuti di servizio. "Mancare obiettivi nelle situazioni di battaglia della vita reale è un grosso problema, perché ciò potrebbe costare la vita a qualcuno", afferma Andy McKinley, neuroscienziato AFRL. "E pensiamo che il TDCS possa essere uno strumento per aiutare gli analisti, quando iniziano ad affaticarsi, a mantenere le loro prestazioni".
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Questo articolo è una selezione del numero di maggio della rivista Smithsonian
AcquistareFinora, i risultati sono stati promettenti. In una serie di studi pubblicati dal 2013 su NeuroImage, Brain Stimulation e altre riviste, il solo TDCS ha dimostrato di ridurre l'affaticamento e migliorare o preservare le prestazioni. I membri del servizio che hanno ricevuto la corrente al mattino erano molto più vigili e vigili dei soggetti di controllo quando sono stati testati nel tardo pomeriggio. Il trattamento sembrava anche migliorare i loro umori e livelli di energia. McKinley, che lavora con il TDC dal 2007, afferma che l'effetto di una dose di 30 minuti di TDC di due milliampere al mattino "dura tutto il giorno". (In confronto, i moderni trattamenti di terapia elettroconvulsiva coinvolgono fino a 900 milliampere.) In uno studio sulla privazione del sonno AFRL correlato, ancora da pubblicare, i soggetti sono stati tenuti svegli per 21 ore, quindi sono stati somministrati caffeina, sham tDC o effettivi tDC prima di continuare le loro funzioni per altre 15 ore. I membri del terzo gruppo si sono vantati due volte della precisione nel trovare obiettivi degli altri due gruppi. Hanno anche riportato punteggi dell'umore soggettivi più elevati e hanno detto che il TDCS li ha fatti sentire rinfrescati.
Il protocollo progettato da Barbey combina TDC, nutrizione ed esercizio cognitivo e fisico in un regime completo con il potenziale per migliorare tutto, dalle abilità matematiche al ragionamento astratto. Attraverso il suo lavoro, sta sondando la natura e la struttura della mente umana e, nel frattempo, chiede cosa significhi davvero essere intelligenti.
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Fu il suo lavoro con un'altra generazione di membri del servizio a insegnare a Barbey le complessità del cervello umano. Tra il 2007 e il 2011, è stato ricercatore presso il National Institutes of Health, studiando un gruppo di veterani del Vietnam che avevano subito un trauma cerebrale. Il danno era stato causato da schegge a bassa velocità e ferite da proiettile: era limitato alle aree discrete, il che significava che la maggior parte delle loro funzioni cognitive erano preservate. Le posizioni e le dimensioni delle loro ferite hanno causato deficit diversi, inclusi problemi con la memoria, il linguaggio e con funzioni cognitive più elevate come la pianificazione e la risoluzione dei problemi.
Usando un processo chiamato mappatura delle lesioni, Barbey ha raccolto immagini diagnostiche del cervello dei veterani e quindi ha abbinato l'anatomia danneggiata degli uomini ai loro problemi documentati. Il risultato è stato un atlante cerebrale che ha permesso di collegare specifiche funzioni cognitive alle loro reti neurali sottostanti.
John McIntire, uno psicologo di ricerca ingegneristica di 33 anni, si offre volontario per la stimolazione transcranica di corrente continua presso la base aerea di Wright-Patterson. (Lynn Johnson) 
Gli esperimenti del TDC implicano il collegamento di elettrodi alla testa e la trasmissione di dosi di elettricità a bassa tensione che il soggetto umano non può sentire. (Lynn Johnson) 
McIntire si prepara per il TDC. (Lynn Johnson) 
Un partecipante alla ricerca presso l'Università dell'Illinois è pronto per entrare in una macchina per risonanza magnetica. I ricercatori utilizzano questi dati per analizzare la struttura e la funzione del cervello dei soggetti che ricevono la TDC. (Lynn Johnson) 
Il trattamento è progettato per migliorare le prestazioni su un compito specifico a portata di mano. Qui, le materie di ricerca degli studenti usano i tablet per completare un programma di allenamento cognitivo come corsi di corrente elettrica a basso livello attraverso il cervello. (Lynn Johnson) 
Il neuroscienziato Aron Barbey resiste all'idea di stazioni di ricarica cerebrale nei centri commerciali e negli aeroporti. In realtà, preferirebbe non speculare su tali cose. (Lynn Johnson) 
Barbey fa una pausa di meditazione. In linea con il suo approccio olistico al cervello, impiega del tempo per meditare ogni giorno e lo trova particolarmente utile per affrontare gli stress legati al lavoro, come la navigazione nelle proposte di sovvenzione. (Lynn Johnson) 
Terry Brann viene bloccato per test su come la forma fisica migliora il cervello. (Lynn Johnson) 
Anche gli esercizi di nutrizione e cognitivi fanno parte del protocollo di Barbey. (Lynn Johnson) 
I ricercatori hanno perfezionato uno studio su fitness e cervello. I membri dell'Aeronautica diventano buoni soggetti perché sono fisicamente in forma. (Lynn Johnson) 
L'Air Force è interessata agli esperimenti di Barbey perché il personale assorto negli schermi dei computer può perdere la concentrazione e affaticarsi. (Lynn Johnson) 
Mentre raccoglieva immagini diagnostiche dai veterani del Vietnam che avevano subito un trauma cerebrale, Barbey trovò l'esperienza "incredibilmente profonda". (Lynn Johnson) Basandosi su questa conoscenza, Barbey, con vari coautori, ha continuato a pubblicare una serie formidabile di articoli che identificano le reti cerebrali per l'intelligenza generale, l'intelligenza emotiva, la flessibilità cognitiva, la memoria di lavoro e altro ancora. In quello che potrebbe essere considerato il suo capolavoro di mappatura delle lesioni, pubblicato sulla rivista Brain nell'aprile 2012, Barbey e colleghi hanno progettato ambiziosamente un'architettura per l'intelligence generale e la funzione esecutiva - comportamenti complessi e orientati all'obiettivo che coinvolgono parti ampiamente distribuite del cervello, compresa la corteccia prefrontale. Quello studio, una delle valutazioni più ampie e complete del suo genere finora condotte, ha coinvolto 182 veterani del Vietnam e ha concluso che l'intelligenza "riflette la capacità di integrare efficacemente i processi verbali, spaziali, motori ed esecutivi attraverso un insieme circoscritto di connessioni corticali". Barbey e il suo team sono stati in grado di individuare molte di queste connessioni e descriverne il funzionamento.
L'esperienza di Barbey con i veterani lo ha lasciato molto più di un curriculum impressionante. "È stato incredibilmente profondo", afferma Barbey, che ora ricopre il ruolo di editore o membro del consiglio di amministrazione di quattro riviste, tra cui Frontiers in Neuroscience . “Trascorriamo tutto questo tempo a sviluppare queste teorie e a pensare alla natura della mente umana e a lavorare davvero duramente per cercare di capire la funzione di queste reti cerebrali. E diventa questa impresa molto scientifica, molto tecnica. Ma poi, una volta che inizi a lavorare con le persone, a lavorare con i pazienti, con i veterani del Vietnam, diventa immediatamente chiaro che è in gioco questa questione molto importante. E si tratta davvero di migliorare la qualità della vita delle persone e di trovare soluzioni a questi problemi molto difficili che devono affrontare. "
La complessità esasperante del cervello stesso è il più grande ostacolo per affrontare tali problemi. O così sembrerebbe. Ma quella stessa complessità consente anche alla scienza di migliorare le prestazioni in una vasta gamma di attività, purché i ricercatori sappiano quali reti scegliere come target. Stimolare le reti corrette, dice Barbey, dipende dal sapere quali sono coinvolte in un determinato compito e dall'essere in grado di indirizzare tali reti alla dose e alla durata corrette. "Quindi, come facciamo a sapere se stiamo stimolando le strutture giuste?", Chiede. “Dipende dal compito. Il compito è fondamentale. "
Alla lunga ombra di tutto ciò che non sappiamo sul cervello, TDCS sta gettando nuova luce su come funziona. I neuroni sono i media per l'attività elettrica nel cervello, ma come sottolinea Barbey, "ce ne sono circa 100 miliardi e hanno molte proprietà che ci sfuggono". La ricerca di Barbey si concentra sull'intelligenza umana e sul processo decisionale. L'intelligenza, dice, emerge dall'interazione tra più reti cerebrali, compresa la rete esecutiva centrale, un sistema neurale distribuito (una sorta di ragnatela 3D) che è ben noto per supportare funzioni come pianificazione, risoluzione dei problemi, giudizio e il processo decisionale.
In un tipico esperimento TDC mirato alla rete esecutiva centrale, Barbey organizza gli elettrodi per inviare la corrente attraverso i lobi frontale e parietale mentre i suoi soggetti eseguono un compito basato su computer. In uno di questi test, chiamato task n-back, ai partecipanti vengono mostrate le lettere e devono ricordare se corrispondono alle lettere che hanno visto in precedenza.
Barbey afferma che la corrente elettrica migliora l'eccitabilità dei neuroni coinvolti nel compito, aumentandone la probabilità di sparare e rafforzando le connessioni sinaptiche tra di loro. "I neuroni che si accendono insieme si collegano", dice Barbey, citando un assioma del leggendario psicologo canadese Donald Hebb. In un articolo di settembre 2015, lo scienziato AFRL Ryan Jankord e colleghi hanno riferito che 30 minuti di TDC nei ratti "hanno indotto un robusto potenziamento" delle connessioni tra cellule dell'ippocampo che sono fondamentali per l'apprendimento e la memoria.
Nell'uomo, il TDC sembra anche reclutare altri neuroni non originariamente coinvolti in un'attività, creando ciò che Barbey chiama sottoreti che migliorano le prestazioni. Ma non c'è nulla di intrinsecamente benefico nell'aumentare l'eccitabilità dei neuroni, aggiunge. "È efficace solo in condizioni specifiche, in cui si sta erogando corrente elettrica alle regioni coinvolte nell'attività." Questa è una parte fondamentale del modo in cui amministra tDCS: il soggetto deve utilizzare attivamente le parti del cervello in questione. Sempre più cauto, tuttavia, Barbey sottolinea che "i meccanismi biofisici sottostanti non sono ben caratterizzati". In altre parole, i ricercatori non sono del tutto sicuri del perché TDCS faccia quello che fa.
Alcuni si sono chiesti se fa qualcosa. Nel gennaio 2015, lo scienziato con sede in Australia Jared Horvath e due suoi colleghi hanno pubblicato un'analisi di oltre 200 studi TDC. La loro conclusione: "La nostra revisione quantitativa non supporta l'idea che il TDCS generi un effetto affidabile sulla cognizione negli adulti sani". Il documento ha scatenato una controversia, con i difensori del TDCS che hanno messo in discussione i metodi di Horvath - ha escluso più di 170 studi i cui risultati non avevano stato replicato da almeno un altro laboratorio. Barbey sostiene il punto di vista di Horvath e nota che, sebbene il TDC sia stato ampiamente studiato, l'entusiasmo per esso ha "superato le teorie meccanicistiche" su come funziona. Queste lacune nella conoscenza, dice, ritardano lo sviluppo di protocolli più efficaci e producono una varietà di risultati che non possono essere spiegati, prestandosi a critiche come quella di Horvath.
"Le persone hanno cercato di cambiare la loro coscienza da quando hanno capito di avere una coscienza", afferma Jonathan D. Moreno, professore di etica medica e politica sanitaria presso la Perelman School of Medicine dell'Università della Pennsylvania. Moreno afferma di essere rimasto deluso finora dai progressi nel campo del TDC. "Penso solo che siamo ancora così nel bosco e lo saremo per molto tempo", dice. “Dipende da chi stai cercando di migliorare e per cosa. Non potresti mai farmi diventare Einstein ed Einstein probabilmente non ha bisogno di molti miglioramenti. "
È meno scettico sull'uso terapeutico del TDC per ripristinare un certo grado di normale funzione nelle persone con determinati disturbi. "La terapia sembra essere più fattibile del potenziamento", afferma. Numerosi studi negli ultimi anni hanno dimostrato di avere un potenziale come trattamento efficace per la depressione maggiore, il disturbo post traumatico da stress e altri problemi neuropsichiatrici. Ha anche mostrato risultati promettenti per i malati di Alzheimer e per l'ictus durante le attività di memoria e riconoscimento delle immagini. E uno studio del 2014 ha scoperto che il TDCS ha migliorato l'apprendimento delle lingue, suggerendone il potenziale come trattamento per i deficit linguistici causati dall'ictus. La ricerca dell'Aeronautica, non correlata a disturbi clinici, potrebbe indicare un altro potenziale beneficio del TDC terapeutico: squadre di ricercatori in Germania, Brasile e Stati Uniti hanno scoperto che due settimane di TDC giornaliero possono portare a settimane o addirittura mesi a prestazioni migliori un compito molto specifico. "Sembra che tu stia facendo cambiamenti duraturi alle connessioni neurali nel cervello", afferma McKinley.
Un progetto di 42 mesi chiamato Insight potrebbe fornire risposte più concrete. Il laboratorio di Barbey ha lanciato il programma nel 2014, con $ 12, 7 milioni di finanziamenti dall'Ufficio del direttore dell'intelligence nazionale. È uno dei più grandi studi di sempre sulla capacità di ragionare in condizioni nuove. L'obiettivo dichiarato del governo è migliorare il ragionamento adattivo e le capacità di risoluzione dei problemi del personale dei servizi segreti. Sotto la supervisione di Barbey, 1.000 volontari sani tra i 18 e i 44 anni (molti dei quali studenti dell'Università dell'Illinois) stanno ricevendo dosi di TDC mentre eseguono esercizi di addestramento cognitivo che mettono alla prova tali abilità. Ma questo è solo una parte del protocollo: sono anche sottoposti a sessioni di allenamento per la forma fisica e le loro diete e la salute nutrizionale vengono monitorate.
L'esercizio fisico può sembrare a bassa tecnologia rispetto al TDC. Ma Barbey è interessato tanto al potere del sudore quanto al potenziale dell'elettricità. È coinvolto in un progetto separato con l'Aeronautica che si concentra fortemente sull'allenamento ad intervalli ad alta intensità. L'esercizio da solo ha già dimostrato almeno quanto il TDC nel migliorare le prestazioni cognitive. Sebbene Barbey sostenga che la sperimentazione clinica definitiva debba ancora essere eseguita, oltre 40 anni di ricerca mostrano un aumento del volume della sostanza grigia tra gli adulti in forma aerobica, nonché un rischio ridotto del 40% di declino cognitivo tra coloro che si esercitano regolarmente. I malati di Alzheimer che prendono parte a programmi di esercizi acuti hanno aumentato il fattore neurotrofico derivato dal cervello, una proteina che promuove la salute e la crescita delle cellule cerebrali.
Secondo Barbey, l'esercizio ha un effetto particolarmente impressionante sulle funzioni esecutive. "Se dovessimo andare fuori adesso e correre a tutta velocità fino alla fine della strada e poi correre a tutta velocità fino alla fine", dice Barbey, "quando ci siamo seduti qui per continuare la nostra conversazione, avremmo stare più attenti, la nostra memoria sarebbe migliorata, avremmo migliori funzioni di controllo esecutivo e quegli effetti durerebbero dai 20 ai 30 minuti. "
Barbey vuole anche capire l'impatto della nutrizione sulla salute del cervello e sulla cognizione. "Sappiamo che se vuoi essere un atleta devi mangiare cose particolari e impegnarti in particolari tipi di attività fisica", dice. "Quella nutrizione opera anche sul cervello." I soggetti del suo progetto Air Force prendono un supplemento speciale creato dal laboratorio di Barbey in collaborazione con Abbott Nutrition. La formula è proprietaria, ma Barbey afferma che include ingredienti per promuovere la forza muscolare, la salute cardiovascolare e la forma fisica aerobica, nonché la salute del cervello. "Inoltre, abbiamo profili nutrizionali specifici che ipotizziamo svolgono un ruolo importante nel migliorare la salute del cervello e le capacità cognitive", afferma. In breve, Barbey crede che l'esercizio fisico e l'alimentazione possano fornire benefici duraturi e olistici che probabilmente stimolando specifiche reti cerebrali non potrebbe mai offrire.
Tuttavia, TDCS rimane il più esotico degli interventi. È allettante supporre che sessioni multiple di trattamento possano aumentare l'intelligenza generale, invece di limitarsi a migliorare le prestazioni sull'attività da svolgere. Barbey non ha trovato prove del fatto che il TDCS possa rendere una persona più intelligente su tutta la linea. "La risposta sembra essere no", dice.
Questo è uno dei motivi per cui immagina un futuro in cui le persone useranno il TDC mirato insieme ai cambiamenti dello stile di vita: quest'ultimo migliorerà la loro salute generale e le prestazioni mentali, mentre il primo migliorerà specifiche capacità cognitive. Secondo Barbey, la serie di interventi dipenderà dagli obiettivi di un individuo. Un soggetto potrebbe voler migliorare la memoria di lavoro, ad esempio, e dovrebbe migliorare le reti cerebrali coinvolte. "La capacità di sviluppare un intervento su misura dipende dalla comprensione dei meccanismi sottostanti", afferma Barbey. "Se non comprendiamo i meccanismi, non possiamo certo realizzare la sartoria".
Barbey sa che il suo lavoro alimenta una visione alternativa del futuro, quella in cui le persone in tutti i tipi di ambienti privati e commerciali possono sistematicamente sedersi per sessioni di carica cerebrale. Preferirebbe non speculare su tali cose, ma quando si arrabbia sul fatto che questo modello possa esistere tra 50 anni - una sorta di LensCrafters per il cervello - dice: "Supponendo che siamo sulla strada giusta, supponendo che TDCS in realtà può produrre solidi miglioramenti, quindi sì. ”Quindi torna rapidamente alla realtà odierna. "Ma stiamo ancora imparando questi metodi e stiamo ancora facendo esperimenti per valutarne l'efficacia. Quindi è ancora troppo presto. Ed è quello che succede con il commercialismo. Vanno troppo in fretta. ”Barbey ha una vaga visione d'insieme dell'industria commerciale del brain training e non vuole che le persone si concentrino sul suo lavoro con le sue offerte. Milioni di utenti di smartphone, ad esempio, hanno scaricato giochi come Lumosity, che affermano di migliorare significativamente la memoria. "Ci sono sicuramente prove che suggeriscono che se giochi a un gioco di memoria funzionante, migliorerai in quel gioco di memoria funzionante", dice. "Ciò che è meno chiaro è se questo abbia qualche altro impatto." (Lo scetticismo di Barbey è stato rafforzato a gennaio, quando Lumosity ha accettato di pagare $ 2 milioni per liquidare le accuse federali di pubblicità ingannevole per aver affermato che il suo prodotto potrebbe rallentare il declino cognitivo. Un giudizio di $ 50 milioni è stato sospeso perché la compagnia non aveva i soldi.)
Barbey insiste sul fatto che non ci sono scorciatoie nelle neuroscienze. Almeno due dispositivi tDCS commerciali, Halo e Thync, sono attualmente disponibili, ma è rimandato al suggerimento che è possibile diventare più intelligenti semplicemente premendo un interruttore o giocando. "Dobbiamo davvero prendere la strada difficile", dice. Per Barbey, il cervello non richiede niente di meno.
