Dialog z głębią głowy, czyli czy urządzenia do stymulacji ludzkiego mózgu będą wkrótce dostępne w sklepach AGD
Jak stymulować mózg?
Artykuł ukazał się w „Ja My Oni” tom 31. „Jak i po co podglądany jest mózg”. Poradnik dostępny w Polityce Cyfrowej i w naszym sklepie internetowym.
***
Mózg to wyrafinowane urządzenie elektrochemiczne. Na pewnym poziomie myśl czy działanie to po prostu pędzący przez neurony impuls elektryczny, którego przebieg jest sterowany przez tzw. neuroprzekaźniki. To substancje chemiczne decydujące o tym, które neurony pobudzić, a które zahamować. Niestety, to wyrafinowane urządzenie czasem zawodzi. Na schorzenia mózgu cierpi ok. miliarda ludzi na świecie. Najczęstsze z nich to różnego typu choroby neurozwyrodnieniowe, udar i padaczka. Na szczęście rozwój nauki doprowadził do powstania wielu metod służących przywracaniu zaburzonych funkcji. Generalnie robi się to na dwa sposoby. Lecząc bądź naprawiając. Stosując rozwiązania biologiczne albo używając wysokich technologii. Badacze opierający się na naukach biologicznych odtwarzają zepsute tkanki na drodze neurogenezy lub transplantacji. A więc biologiczne zastępują biologicznym. Natomiast badacze z obszaru techne budują połączenia pomiędzy mózgiem a sztucznym efektorem, jakim jest na przykład robotyczne ramię. Tworzą protezy zastępujące zniszczoną biologiczną funkcjonalność albo stymulują centralny układ nerwowy za pomocą impulsów elektrycznych lub magnetycznych. Tu natura jest matką potrzeb, zaś technika – wynalazków.
Stymulacja centralnego układu nerwowego, zwana inaczej neuromodulacją, to metoda wchodzenia w dialog z systemem neuronalnym. Tym mianem określa się techniki i stosowane u pacjentów cierpiących na rozmaite schorzenia, którzy nie odpowiadają na inne, bardziej standardowe formy leczenia. Efektem stymulacji mózgu jest regulacja i poprawa jego aktywności. Źródłem stymulacji mogą być bodźce elektryczne lub magnetyczne dostarczane przez czaszkę pacjenta. To tak zwana stymulacja przezczaszkowa. Alternatywnie, posiłkując się możliwościami neurochirurgii, wybrane struktury możemy stymulować bezpośrednio. Jest to tzw. głęboka stymulacja mózgu (ang. deep brain stimulation, DBS).
Trochę historii
Idea użycia elektryczności w leczeniu jest bardzo stara. Terapeutyczne skutki jej działania na ludzkie ciało znane już były w starożytności. Ponoć już Skryboniusz Largus używał na początku naszej ery bioprądów pochodzących od pewnej ryby z rodziny drętwowatych do leczenia przewlekłego bólu, bólów głowy i wielu innych przypadłości zdrowotnych.
Pierwsze naukowe próby galwanicznego „wskrzeszania” za pomocą prądu rozczłonkowanych ciał zwierząt i ludzi, udowodniły, że wzbudzona prądem aktywność mózgu przekłada się na zachowanie ciała. Działo się to na początku XIX wieku. Zresztą bez większej przesady można powiedzieć, że był to okres narodzin większości chyba głównych koncepcji dzisiejszej neuronauki. Autorem tego odkrycia był pochodzący z gruntownie wykształconej bolońskiej rodziny Giovanni Aldini, którego w objęcia nauki pchnęła światła matka. Alidini po ukończeniu fizyki na miejscowym uniwersytecie został asystentem w laboratorium swojego wuja Luigiego Galvaniego (tego od „galwanizmu”). Galvani na podstawie pionierskiej serii eksperymentów wykazał, że iskra elektryczna może wywołać skurcz mięśni. Wysnuł więc hipotezę, że mózg zwierzęcy naturalnie wytwarza energię elektryczną, która za pomocą nerwów przesyłana jest następnie do mięśni ciała – w ten sposób je ożywia. Nawiasem mówiąc, koncepcja „elektryczności zwierzęcej” stanowiła potężny krok naprzód względem liczącej sobie wówczas około półtora tysiąca lat koncepcji Galena, zgodnie z którą naczelną siłą ożywiającą ciało są tzw. duchy żywotne (łac. spirites animales).
Jak pisał sam Aldini, jego działalności przyświecała idea, by „produkować, reanimować i kontrolować siły życiowe”. W tym celu przeprowadził szereg fascynujących eksperymentów. W jednym z nich aplikował prąd elektryczny bezpośrednio do różnych części mózgu wołu (znajdującego się w czaszce zwierzęcia), aby określić względną wrażliwość poszczególnych regionów na stymulację elektryczną. Najsilniejsze reakcje motoryczne zaobserwował po stymulacji ciała modzelowatego i móżdżku. W innych pracach donosił natomiast, że jego metoda przezczaszkowej stymulacji elektrycznej pozwalała na skuteczne leczenie pacjentów cierpiących z powodu melancholii i zaburzeń osobowości. Notabene stymulację przezczaszkową Aldini najpierw wypróbował na sobie. Efekt był piorunujący – kilkudniowa bezsenność.
Trudno wreszcie nie wspomnieć tu o jednym z najbardziej dramatycznych aspektów pracy Aldiniego. W 1803 r. badacz przeniósł się do Londynu, gdzie prowadził otwarte dla szerokiej publiczności demonstracje działania elektryczności na tkanki ciała. 17 stycznia w Royal College of Surgeons użył bimetalicznej elektryczności i w efekcie wywołał spektakularne konwulsje zwłok niejakiego George’a Fostera, 26-letniego przestępcy powieszonego kilka godzin wcześniej w więzieniu Newgate za zabójstwo swojej żony i dziecka. Dla porządku powiedzmy, że istnieją pewne rozbieżności co do tego, czy były to faktycznie zwłoki Fostera (choć nie jest to może dla naszej sprawy aż tak istotne). Dla równowagi dodajmy też, że celem Aldiniego było pokazanie potencjalnej przydatności galwanizmu w reanimacji, nie zaś szokowanie czy czcza sława. Dramatyczna demonstracja została szczegółowo opisana w londyńskiej gazecie „The Times” (22 stycznia 1803 r.). Wywarła niebywale silne wrażenie nie tylko na zebranej publiczności, ale również na uczonych i na zwykłych ludziach, którzy przeczytali o niej w prasie. Wielu uwierzyło, że elektryczność może faktycznie stanowić z dawna poszukiwaną vis vitalis. Świadectwem tych nastrojów jest klasyk gotyckiego horroru – „Frankenstein, czyli Współczesny Prometeusz”.
Wszyscy pamiętamy doktora Wiktora Frankensteina z powieści Mary Shelley (1818 r.), który powracał w licznych ekranizacjach i sequelach (pierwszym był niemy film krótkometrażowy wyprodukowany w 1910 r. przez słynnego amerykańskiego wynalazcę Thomasa Edisona). Doktor odkrywa tajemnicę życia i śmierci, dzięki czemu ożywia ludzkie zwłoki. Niestety, tym samym powołuje do życia monstrum, zwane później od jego nazwiska Frankensteinem. Choć w powieści nie ma żadnej wzmianki o tym, w jaki sposób doktor ożywia ciało, uważa się, że użył do tego energii elektrycznej pochodzącej z pioruna (co możemy zobaczyć na filmach). Inspiracje pracami Aldiniego są aż nadto widoczne.
Mimo że eksperymenty Aldiniego mogą wydawać się prostackie według obecnych standardów, zainspirowały wiele technik używanych wręcz po dziś dzień, takich jak stymulatory serca, terapia elektrowstrząsowa czy metody terapii lekoopornej depresji.
2–3 cm pod powierzchnią mózgu
Pierwszą techniką neuromodulacji użytą w warunkach klinicznych była przezczaszkowa stymulacja elektryczna (ang. transcranial electrical stimulation, TES). Miało to miejsce na początku XX w., gdy TES stosowano jako remedium na bezsenność i przewlekłe bóle. Podczas zabiegu badacz umieszcza na głowie badanej osoby małe elektrody. Stymulują one mózg prądem o słabym natężeniu, modyfikując przebieg impulsów nerwowych. Naukowcy cały czas sprawdzają zastosowanie różnych form TES w leczeniu chorób mózgu (np. choroby Parkinsona, padaczki, fibromialgii, udarów). Na razie są to jednak głównie próby kliniczne.
Z kolei opracowana w latach 80. druga nieinwazyjna metoda neurostymulacji – przezczaszkowa stymulacja magnetyczna (ang. transcranial magnetic stimulation, TMS) – oparta jest na podstawach indukcji elektromagnetycznej odkrytej przez Faradaya. Generowane przez specjalną cewkę umieszczoną nad wybranym obszarem kory mózgowej pole magnetyczne przenika skórę, kości czaszki i opony mózgowo-rdzeniowe, powodując w tych tkankach przepływ prądu. W neuronach wywołuje to efekty ostatecznie prowadzące do aktywności odpowiedniego mięśnia.
W praktyce klinicznej TMS najlepiej sprawdza się w stymulacji kory ruchowej i pozwala na ocenę sprawności części układu nerwowego odpowiedzialnego za ruch. Natomiast emitowanie impulsów magnetycznych z dużą częstotliwością (do 50 impulsów na sekundę) stymuluje naturalne procesy plastyczności mózgu. I w tym przypadku terapeutyczne efekty takiej stymulacji dotyczą chorób neurologicznych. Niestety, obserwowana poprawa nie jest znaczna i zwykle utrzymuje się zaledwie kilka tygodni. Ponadto metoda stymulacji przezczaszkowej nadaje się tylko do oddziaływania na obszary powierzchniowe (do 2–3 cm w głąb mózgu), takie jak kora mózgu. Jeśli chcemy skontaktować się z głębiej położonymi strukturami, musimy sięgnąć po narzędzia z zakresu neurochirurgii – takie jak głęboka stymulacja mózgu.
7–8 cm w głąb mózgu
Początek neurochirurgii czynnościowej datuje się na lata 30. ubiegłego wieku. Za niekwestionowanego pioniera w tej dziedzinie uważany jest urodzony w 1905 r. Russell Meyers, Amerykanin, kierownik oddziału neurochirurgii na Uniwersytecie Stanowym w Iowa. W tamtych czasach leczenie chorób ruchu (głównie drżenia kończyn) polegało na ablacji (uszkodzeniu za pomocą prądu) kory ruchowej oraz szlaków piramidowych. Paradoksalnie, powstające w wyniku takiego działania osłabienie, a nawet porażenie objętej chorobą kończyny, eliminowało objawy choroby podstawowej. Meyers wysunął następującą hipotezę. Skoro powstanie objawów w chorobach neurozwyrodnieniowych związane jest z zaburzeniami funkcji głębokich struktur mózgu (np. jądro ogoniaste, skorupa lub gałka blada), to selektywne zahamowanie aktywności tych obszarów może zmniejszyć lub całkowicie wyeliminować odczuwane przez pacjenta objawy. Mimo że ta intuicja okazała się słuszna, na przełom w rozwoju neurochirurgii czynnościowej trzeba było jednak poczekać jeszcze ponad pół wieku. Wtedy to Lars Leksell, wielki szwedzki neurochirurg oraz twórca radiochirurgii, wraz ze swoim zespołem opracowali specjalną ramę sterotaktyczną – swego rodzaju stelaż gwarantujący całkowite unieruchomienie czaszki pacjenta. Rama pozwalała chirurgom na docieranie do głęboko zlokalizowanych struktur w mózgu z niezwykłą precyzją.
Zabiegi lezji (uszkodzenia) struktur głębokich mózgu były obarczone ogromnym ryzykiem powikłań pooperacyjnych, w tym zgonem. Dlatego ogromny postęp dokonał się, kiedy wprowadzono metodę głębokiej stymulacji mózgu, która wiele zawdzięcza galwanizmowi i Aldiniemu. Ciekawa jest sama historia odkrycia tej metody, co autor przypisywał przypadkowi. W 1980 r. Alim-Luis Benabid, neurochirurg z Uniwersytetu Josepha Fouriera w Grenoble, prowadził rutynowe zabiegi talamotomii u pacjentów z chorobą Parkinsona. Ta obejmująca uszkodzenie części wzgórza operacja powodowała zanik drżenia, a wykonywało się ją za pomocą rozgrzanych elektrod o wysokiej częstotliwości. Zabieg był jednak nieodwracalny, dlatego chirurdzy musieli najpierw odnaleźć właściwą lokalizację. Ustawiali więc elektrody na częstotliwość fizjologiczną, sprawdzając odczucia pacjenta. Jednakże pewnego razu Benabid postanowił przetestować oddziaływanie innych częstotliwości – od niskich po wysokie – na różne fragmenty wzgórza. I zwyczajnie – jak sam to określił – poszczęściło mu się. Nagle, jak za dotknięciem czarodziejskiej różdżki, pod wpływem stymulacji pewnej części wzgórza za pomocą najwyższej częstotliwości, jaką potrafiło wytworzyć urządzenie, drżenie pacjenta ustąpiło. Rezultat był niezwykły. Po dalszych eksperymentalnych próbach, pod koniec 1980 r., Benabid zgłosił szefowi neurochirurgii propozycję zastosowania nowej techniki u wszystkich pacjentów oczekujących na talamotomię. I tak pierwszy zabieg DBS wykonano w 1987 r. w Europie.
DBS polega zatem na umieszczeniu cienkich, izolowanych elektrod w głęboko położonych strukturach mózgu – 7–8 cm pod jego powierzchnią – w tzw. celu. Następnie elektrody podłącza się za pomocą specjalnego łącznika do małego urządzenia nazywanego neurostymulatorem. Łącznik i neurostymulator umieszczane są pod skórą pacjenta: łącznik na szyi, natomiast neurostymulator w okolicy podobojczykowej lub okolicy podbrzusznej. Taki zestaw jest całkowicie niewidoczny dla otoczenia, a z czasem sam pacjent zapomina, że ma w sobie jakieś ciało obce. Czynny neurostymulator emituje impulsy elektryczne, które modyfikują działanie ośrodków nerwowych odpowiedzialnych za powstanie objawów. Siłę impulsów ustala lekarz przy użyciu specjalnego programatora indywidualnie dla każdego chorego. Natomiast w toku dalszego użytkowania sam pacjent dysponuje pilotem, za pomocą którego może stymulator włączać i wyłączać, bądź w niewielkim zakresie przesterować.
Jak każda operacja mózgu, DBS wiąże się z pewnym ryzykiem. Jest ono jednak względnie niewielkie, jeśli zabieg jest wykonywany przez doświadczony zespół lekarzy. Ok. 0,6 proc. pacjentów doświadcza powikłań pooperacyjnych, np. dezorientacji lub zaburzenia mowy spowodowanych złym umieszczeniem elektrody. Komplikacje zwykle ustępują po 1–3 miesiącach od zabiegu lub po zmianie ustawień urządzenia. Odroczone w czasie skutki uboczne DBS to na przykład zaburzenia nastroju. Co najważniejsze: stymulator nie zatrzymuje postępów choroby, tylko usuwa niektóre jej skutki. Dlatego może się zdarzyć, że u pacjenta, u którego „zaleczono” drżenie, pojawia się inny objaw tej samej choroby, a nawet powraca drżenie.
Od czasu wprowadzenia DBS zabiegom poddano ponad 100 tys. pacjentów. W 1997 r. amerykańska Agencja do spraw Żywności i Leków (ang. Food&Drug Administration, FDA) formalnie uznała DBS za metodę terapii o szerokich zastosowaniach w zaburzeniach motorycznych. Rzeczywiście, do dziś choroby neurozwyrodnieniowe są głównymi i najczęstszymi wskazaniami do tej metody. Około dwóch trzecich spośród wszystkich poddanych zabiegowi stanowią pacjenci z chorobą Parkinsona. Jej przyczyną jest obumieranie zabarwionych na czarno neuronów produkujących dopaminę, które odgrywają ważną rolę w kontroli ruchów i postawy ciała. Kiedy stężenie dopaminy wynosi zaledwie 20–40 proc. normy, chorzy zaczynają doświadczać spowolnienia ruchów, sztywności mięśni i drżenia kończyn. Pojawiają się zaburzenia chodu i postawy ciała.
Diagnostyką i leczeniem choroby Parkinsona zajmuje się neurolog. Podstawowa terapia polega na podawaniu substytutów dopaminy. Niestety, te preparaty też nie leczą, a jedynie kontrolują objawy, i przez wiele lat robią to dobrze. Okres ten nazywany jest nawet „miodowym miesiącem”. Jednak po upływie ok. 13–15 lat, wskutek postępowania choroby i powikłań polekowych, u pacjentów pojawiają się dyskinezy, a korzystne efekty leków wyraźnie słabną. To właśnie wówczas pacjent i lekarz prowadzący rozważają terapię DBS. Dzięki zabiegowi pacjent zyskuje przeciętnie 5 godzin dziennie, podczas których nie odczuwa objawów. Może też obniżyć dawki przyjmowanych leków średnio o połowę. Jednak nie wszyscy pacjenci kwalifikują się do DBS. Z założenia raczej wyklucza się osoby powyżej 75. roku życia, chorych wykazujących zaawansowane zaburzenia pamięci lub depresję. Neurochirurg ocenia, czy ewentualna operacja jest dla pacjenta bezpieczna.
Istnieją dowody świadczące o skuteczności DBS także w padaczce, chorobie Alzheimera, bólu, w niektórych zaburzeniach psychiatrycznych (np. zaburzenia obsesyjno-kompulsywne, depresja, zaburzenia jedzenia) i w nietrzymaniu moczu.
Powtórzmy: przedstawione tu metody neuromodulacji – TES, TMS i DBS – są dziś w powszechnym użyciu. Trzeba jednak podkreślić, że żadna nie uzdrawia pacjenta. Prowadzą one jedynie do czasowego odwrócenia skutków choroby. Poprawa jest zwykle chwilowa i wkrótce po zaprzestaniu stymulacji – ustępuje. Na razie nie znamy też długoterminowych skutków takiego leczenia. Z drugiej jednak strony, efekty stymulacji mózgu, włączając DBS, są bardziej specyficzne i łatwiej odwracalne niż chociażby następstwa farmakoterapii.
Od technologii do legendy miejskiej
Od czasu do czasu w prasie codziennej pojawiają się nad wyraz entuzjastyczne doniesienia o możliwościach neuromodulacji. Niektóre badania pokazują, że łagodna stymulacja elektryczna lub magnetyczna mogą poprawiać wydolność uwagi i pamięci krótkotrwałej oraz przyspieszać uczenie się. Armia amerykańska testuje możliwości zastosowania tych technologii dla podniesienia wyników swoich żołnierzy i w rehabilitacji weteranów. Już znalazły się firmy (mowa głównie o rynku amerykańskim), które sprzedają klientom zestawy do stymulacji elektrycznej do domowego użytku. Trzeba sobie jednak jasno powiedzieć, że dotychczasowe wyniki badań na temat poznawczych skutków neurostymulacji są bardzo niejednoznaczne. Wystarczy drobna zmiana parametrów i korzystny efekt ulega odwróceniu. I rzeczywiście, od czasu do czasu można się spotkać z doniesieniami, że ktoś zrobił sobie krzywdę za pomocą wspomnianych zestawów „zrób to sam” (np. zafundował sobie bezsenność, spadek nastroju czy nawet poparzenie skóry związane z nieumiejętnym użytkowaniem). Potrzeba jeszcze bardzo wielu badań, aby dobrze zrozumieć te zależności.
Podobnie jest w przypadku DBS, jeśli chodzi o skutki w obszarze poznania. Sporadyczne doniesienia w literaturze fachowej mówią o poprawie możliwości poznawczych, na przykład pamięci. Entuzjazm w prasie codziennej rośnie. Na przykład w 2008 r. ukazał się szeroko komentowany artykuł o możliwości poprawy niektórych funkcji pamięci dzięki głębokiej stymulacji wybranych struktur mózgu. Nie wspomina się jednak o tym, że badacze w istocie sprawdzali możliwości DBS w redukcji nadwagi. Poprawa pamięci była tu odkryciem przypadkowym i jak dotąd na szerszą skalę niepotwierdzonym. Niektóre media donoszą też, jakoby zabieg DBS wiązał się z trwałą zmianą osobowości pacjenta. Można sobie wyobrazić skutki takiej sytuacji – po zabiegu rodzina musi opiekować się de facto obcym człowiekiem! To jednak również przesada. Jak wspomniałyśmy, zmiany mogą dotknąć emocjonalności pacjenta, ale nie jego systemu wartości, preferencji czy typowych sposobów działania.
Od neuromodulacji do neuroetyki
Przezwyciężanie chorób, rehabilitacja czy poprawa jakości życia chorych to oczywiste i niekontrowersyjne użycia neuromodulacji. Niepokój wywołują jednak potencjalne nadużycia, takie jak możliwość przejęcia kontroli nad cudzym mózgiem czy „mózgowy doping”, czyli podnoszenie możliwości poznawczych mózgu zdrowego. Rzeczywiście wydaje się, że dziś, w XXI w., zaczynamy realizować propagowaną przez transhumanistów ideę polepszenia ludzkiego ciała za pomocą technologii. Można wręcz fantazjować, że jesteśmy świadkami kolejnego etapu w procesie ewolucji człowieka – momentu, w którym z populacji ogólnej zaczyna wyłaniać się podrasowana metodami inżynierii bio-hybryda: Homo sapiens 2.0 czy też post-człowiek. Takie twierdzenie to, oczywiście, tylko eksperyment myślowy. Jednak już teraz etycy martwią się, czy konieczne i możliwe jest postawienie jednoznacznej granicy między interwencjami terapeutycznymi a „projektowymi” zastosowaniami nowych technologii.
Poglądy na to, co dopuszczalne lub pożądane, będą inne w przypadku konserwatywnych etyków czy radykalnych kreacjonistów, a inne u postępowych transhumanistów. Ci pierwsi wyrażają zaniepokojenie potencjalnymi następstwami ulepszania człowieka. Uważają, że uderzą one w godność i naturę ludzką. Zwolennicy pozycji liberalnych upraszczają zagadnienie. Dla nich, z moralnego punktu widzenia, sztuczne podkręcanie naszych możliwości poznawczych za pomocą technologii (czy inżynierii genetycznej) właściwie nie różni się od wychowania czy ślepego losu – jest po prostu jednym z czynników kształtujących potencjał jednostki.
Neuroetycy uważają, że w praktyce klinicznej i pozaklinicznej powinniśmy się kierować zasadą wolności poznawczej – to jednostka ma zachowywać pełną kontrolę nad swoim potencjałem poznawczym, a nie żadna instytucja, organizacja czy osoba trzecia. Nie można więc decydować za kogoś, czy i jakie funkcje jego mózgu „podrasować”. Ale nawet tak oczywiste rozstrzygnięcie nie przesądza jednoznacznie kwestii odpowiedzialności za leczenie. Niektórzy pacjenci – na przykład cierpiący na depresję czy inne choroby psychiczne – mogą mieć trudności w podjęciu świadomej decyzji dotyczącej terapii.
Czy zatem nadchodzą czasy, kiedy nowe superneurostymulatory z różnymi modułami – od zarządzania i sterowania rakietą kosmiczną po telepatię i języki obce albo wręcz nowiutkie mózgi klasy energetycznej AAA++ – będzie można nabyć w sklepie AGD, tuż obok urządzeń do antycellulitowego masażu, depilatorów albo golarek? A może do tego czasu ludzkość pozbędzie się już zbędnego owłosienia...