В этой статье я попытался копнуть глубже и посмотреть, что знают о концентрации внимания эксперты-нейробиологи, а также понять, какие методы улучшения внимания доказаны в научных исследованиях, желательно в нескольких двойных слепых и плацебо-контролируемых. Без этого, мы, к сожалению, остаемся в рамках личных мнений, индивидуальных особенностей и самовнушения. В первую очередь, меня интересовали методы, позволяющие не отрываться от работы или учебы, грубо говоря те, которые можно использовать, сидя перед монитором компьютера.
Под катом описано современное состояние нейробиологических исследований в области концентрации внимания и приведен сравнительный обзор различных фармакологических стимуляторов, ноотропов и нейротехнологий для увеличения концентрации. Часто такие технологии используют не понимая, как они работают (и работают ли вообще), и я надеюсь, что после этого обзора путаницы станет меньше.
Концентрация внимания: как это работает?
С точки зрения нейробиологии, для описания внимания вводят 3 различные системы. Первая отвечает за бдительность, или «настороженность». Она поддерживает когнитивную систему на достаточном уровне активности и готовит её к быстрому ответу. Вторая система «исполнительного контроля» специализируется на процессах более высокого уровня, например, на разрешении конфликтов между различными системами или обнаружении ошибок. А третья система, отвечающая за «ориентацию», определяет нахождение источника сигнала и ускоряет его обработку.
Для удобства описания этих систем нейробиологи используют так называемый «эффект коктейльной вечеринки». «Настороженность» возникает, когда в оживленной обстановке человек слышит среди шума и разговоров знакомое имя. «Ориентация» происходит, когда он определяет, где и кто говорит, а система «исполнительного контроля» позволяет не отвлекаться в это время на другие голоса и звуки.
Как выяснялось, функционирование этих систем связано с определенными областями головного мозга и особым набором нейромедиаторов – веществ, позволяющих передавать сигнал от одной нервной клетки к другой. Возможно, приведенное ниже описание механизмов внимания будет излишне подробным, однако без этого, на мой взгляд, невозможно понять, как действуют на мозг те или иные ноотропы и нейротехнологии, стимулирующие внимание.
За работу системы «настороженности» отвечает в основном правое полушарие, зоны фронтальной и теменной коры. Повреждения этих областей при травмах головного мозга приводят к потере способности поддерживать внимание усилием воли. Кроме того, в работу системы настороженности вовлечены нейроны, располагающиеся во всей толще мозга (от среднего мозга до коры больших полушарий), которые используют в качестве нейромедиатора ацетилхолин.
Визуализация активности коры головного мозга человека (методом ФМРТ) во время выполнения заданий, требующих бдительности. Цветные пиксели (красный, зеленый, желтый) указывают на активацию зон правого полушария, в сравнении с левым, в результате выполнения различных тестов на внимание. По Shulman, 2010.
Вторая система внимания, ответственная за «ориентацию», занимается выбором наиболее важной информации из всего многообразия поступающих стимулов. За ее работу отвечает затылочная, височная и первичная моторная кора – области мозга, осуществляющие обработку зрительной, слуховой и осязательной информации.
В работу этой системы также вовлечены нейроны, использующие нейромедиатор ацетилхолин, и участвующие в передаче сенсорной информации от органов чувств к коре полушарий. Передача сенсорных сигналов идет через таламус – подкорковый интегративный центр, пропускающий к полушариям только часть сигналов, а остальную – либо блокирующий, либо ослабляющий.
В состоянии сосредоточенности «ориентационная» система внимания начинает существенно изменять фильтрацию поступающей от органов чувств информации.
Система исполнительного контроля осуществляет более сложные операции по разрешению конфликтов между процессами, происходящими в разных областях мозга. Для её исследования в нейробиологии используют так называемые «конфликтные задания», в которых выполнению тестов мешают отвлекающие стимулы. Если посмотреть на то, как работает в это время мозг людей, то видно, что активируются области фронтальной коры больших полушарий: часть передней поясной и префронтальной коры:
ФМРТ головного мозга человека во время выполнения «конфликтных заданий». Красным и желтым выделены активировавшиеся зоны коры (передней поясной – А, префронтальной – С). По Kerns, 2004.
Данные области связаны еще и с дофаминергической системой головного мозга. Туда посылают свои отростки (аксоны) нейроны среднего мозга, использующие в качестве нейромедиатора дофамин.
Все научные подходы для улучшения внимания, о которых речь пойдет ниже, нацелены на описанные в этом разделе биологические пути. Психостимуляторы и ноотропы, в первую очередь, влияют на передачу нейромедиаторов, а нейротехнологии (тренировки по методу биологической обратной связи и электростимуляция мозга) – неинвазивно воздействуют на работу определенных зон коры, оптимизируя их активность.
В научных исследованиях ноотропы и нейротехнологии являются основными способами улучшения внимания как у пациентов, так и в случае здоровых людей. Их начали активно исследовать более 50-ти лет назад, причем интерес к ним возник почти одновременно. В 1964-м году бельгийские фармакологи синтезировали пирацетам, в 1966 физиолог Дэниел Альберт выяснил, что стимуляция мозга микротоками может изменять возбудимость нейронов, а в 1968-м американец Джо Камия обнаружил, что человек может произвольно изменить параметры своей ЭЭГ (волновую активность мозга) при наличии обратной связи о её текущих значениях.
Эти подходы стали постепенно проникать в обычную жизнь: уже через 10 лет ноотропы начали самостоятельно использовать здоровые люди, а с отставанием в несколько десятилетий популярность набирают и нейротехнологии. Сегодняшняя мода на биохакинг только подстегивает этот интерес.
В этой статье я решил разобраться, какая научная база лежит в основе подобных методов, и вникнуть в существующие научные статьи. Тем более, что поиск эффективных способов повышения концентрации актуален и для меня самого.
Нейротехнологии для улучшения внимания
Нейроинтерфейсы
В области нейротехнологий существует два основных подхода к улучшению внимания: считывание информации о работе мозга и демонстрация её пользователю по принципу биологической обратной связи (БОС-тренировки), и изменение активности зон мозга путем электростимуляции.
Когнитивные тренировки по методу БОС устроены следующим образом. Человек выполняет определенный компьютерный тест, во время которого при помощи ЭЭГ (электроэнцефалографии) определяют функциональное состояние его мозга. Эта информация обрабатывается и демонстрируется пользователю на экране. Так он узнает о степени собственной сосредоточенности или, наоборот, расслабленности и корректирует выполнение задания. С легкой руки ученых такой БОС-интерфейс получил название «физиологического зеркала».
Структура тренировки по методу биологической обратной связи. Активность определенных зон головного мозга определяется при помощи ЭЭГ (или фМРТ). Данные обрабатываются в режиме реального времени и демонстрируются испытуемому. Например, чем выше уровень «термометра», тем лучше концентрация внимания. Учитывая эту информацию, человек учится контролировать свои состояния. По Scharnowski, Weiskopf, 2015
Медицинские исследования БОС-тренировок начались ещё в 60-х годах. С этого времени технологию стали применять для лечения СДВГ (синдрома дефицита внимания и гиперактивности), аутизма, эпилепсии, бессонницы и депрессии. Если углубиться в нейробиологию, то принцип БОС-тренировок основывается на том, что о когнитивных состояниях человека можно судить по электрической активности его головного мозга. Метод ЭЭГ позволяет зарегистрировать несколько типов электрических колебаний, которые имеют четкую связь с расслабленным или, наоборот, сосредоточенным состоянием.
Альфа-ритм (колебания 8-13 Гц) возникает, когда мы закрываем глаза и начинаем расслабляться; бета-ритм (14-40 Гц) и сенсомоторный ритм связаны с бодрствованием и фокусированием внимания, а гамма-ритм (>30 Гц) наблюдается при максимальной концентрации. Дельта-ритм (1-4 Гц), напротив, характерен для сна, а тета-ритм (4-8 Гц) – для состояния сонливости.
Вот типичный пример энцефалограммы. В данном случае человек сначала лежит с закрытыми глазами, а затем открывает их (красная стрелка):
Изменение волновой активности мозга после того, как человек открыл глаза. График демонстрирует, что альфа-ритм (подчеркнут красным) исчезает в момент открытия глаз (отмечен красной стрелкой). По Uri Shaked, 2017.
При нарушениях внимания часто наблюдается усиленный тета-ритм в лобных долях, а также нарушения бета- и сенсомоторного ритмов. Их оптимизацию и осуществляют при БОС-терапиях, в том числе при лечении СДВГ.
Что касается применения БОС-интерфейсов на здоровых людях, то таких исследований пока мало – мне удалось найти всего несколько качественных научных работ. При этом все они демонстрируют, что БОС-тренировки обладают статистически достоверной, но слабой или умеренной эффективностью.
В недавнем исследовании австрийских ученых ежедневные БОС-тренировки улучшили бдительность и пространственное внимание здоровых добровольцев. Тренировки заключались в том, что испытуемым демонстрировали круг, размер которого увеличивался по мере увеличения их сосредоточенности. А концентрацию внимания оценивали в стандартных тестах, требующих повернуть фигуру в уме или в тестах «Go/No-Go». Смысл такого задания в том, что, получая сигнал «Go» (изображение креста зеленого цвета), человек должен как можно скорее нажать на кнопку, а в ситуации «No Go» (при появлении креста синего цвета), нажимать не нужно, и он должен затормозить начатое движение (см. рис. ниже).
После 6-ти недель ежедневных БОС-тренировок скорость выполнения каждого задания увеличилась на 17-18 мс (что составило 5-6%-улучшение), а точность выполнения возросла на 16% относительно плацебо-контроля.
Сверху слева: БОС-тренировка для улучшения концентрации внимания. Размер белого круга растет с увеличением концентрации.
Сверху справа: Тест на пространственное мышление. Требуется определить, какая из нижних фигур является повернутой в пространстве копией верхней.
Снизу: Тест «Go/No-Go», требующий быстро реагировать на целевой стимул (зеленый крест) и не реагировать на отвлекающий стимул (синий крест). По Doppelmayr & Weber, 2011.
Еще несколько исследований были проведены на студентах музыкальных училищ. Они подтвердили эффективность БОС-тренировок, показав, что через 5 недель эксперимента уровень концентрации внимания возрастает на несколько процентов. Сходных результатов добились и в исследованиях на 11-летних детях. Исследования также демонстрируют безболезненность и безопасность метода.
Что касается применения в обычной жизни, то БОС-тренировки уже несколько лет назад начали коммерциализировать. Сейчас активно продаётся несколько пользовательских нейрогаджетов, например, Нейрообруч Muse и Нейрошлем Emotiv Epoc. Все они предназначены для тренировки внимания или расслабления.
Слева направо: Нейрообруч Muse, Нейрошлем Emotiv Epoc, Визуализация активности головного мозга при помощи Emotiv Epoc.
Нейрообруч Muse измеряет активность мозга при помощи 4-х электродов для ЭЭГ, обрабатывает её и транслирует пользователю в наушники расслабляющую или бодрящую музыку. Кроме того, информация может визуализироваться на экране смартфона. Нейрошлем Emotiv Epoc работает аналогичным образом, считывая информацию о работе мозга с помощью 14-ти электродов. Дополнительным плюсом данных гаджетов является постоянно увеличивающаяся база приложений для тренировки. Если надоело пользоваться одним приложением, можно переключиться на другое.
Суммируя информацию по БОС-интерфейсам, можно сказать, что научных исследований немного, но они говорят в пользу эффективности технологии. Однако надо учитывать, что требуется не меньше месяца ежедневных тренировок, чтобы улучшение внимания стало заметным. Это является большим сроком и несопоставимо с исследованиями ноотропов или электростимуляции (см. ниже), в которых эффекты часто наблюдаются уже после одного сеанса. Ну и нельзя не учитывать, что существует проблема «нечувствительности» к нейрокомпьютерным интерфейсам, то есть БОС-тренировки не работают для очень существенного процента людей, по разным оценкам – от 15-ти до 30%. И для них БОС-интерфейсы станут пустой тратой времени и денег.
Так что в целом, на мой взгляд, использование подобных нейроинтерфейсов является всё-таки скорее приятным развлечением, нежели действительно эффективным способом улучшения внимания.
Электростимуляция мозга
Другой неинвазивный способ улучшения внимания – это транскраниальная стимуляция постоянным током (tDCS). Как и в случае с БОС-интерфейсами, она пришла из медицины, где её более 30 лет используют для лечения депрессии, хронической боли, болезни Альцгеймера и при восстановлении после инсульта. В России она тоже активно используется – в основном для терапии задержек развития у детей, и считается очень эффективным средством лечения СДВГ. По информации российских мед центров, в результате электростимуляции улучшение наступает у 77% детей.
Исследования tDCS на здоровых людях начались в 2000-х годах, и сейчас их уже довольно много. Первыми электростимуляцию стали использовать американские военные – для ускорения обучения пехотинцев и пилотов на видеосимуляторах. Новобранцы тренировались обнаруживать скрытые угрозы (заложенные бомбы или тени от снайперов) в виртуальной игре и как можно быстрее на них реагировать. В этих исследованиях tDCS фронтальной коры увеличила скорость обучения людей более чем в 2 раза, по сравнению с плацебо имитацией tDCS, что по меркам нейробиологии является очень значительным эффектом.
Выдержка из отчета американского оборонного агентства DARPA. Стимуляция правой височной области при помощи постоянного тока силой 2 миллиампера привела к увеличению точности выполнения теста в 2,1 раза (рис. справа — красный столбик), по сравнению с плацебо контролем (синий столбик).
Затем военные исследования показали, что электростимуляция может улучшать работоспособность людей, страдающих от недосыпа. Эксперименты проводились на служащих американских военных баз и затем были повторены на военных летчиках. Улучшение продуктивности в результате tDCS было долгосрочным и сохранялось на протяжении суток (в течение которых люди по-прежнему были лишены сна). Это, кстати, примерно в 2 раза дольше, чем в случае использования стандартных психостимуляторов, применяемых для борьбы с усталостью – амфетаминов и модафинила.
Затем электростимуляцию стали исследовать для улучшения других когнитивных функций здоровых людей, в том числе – концентрации внимания, рабочей памяти, реакции и моторного обучения. TDCS уже несколько лет используется спортсменами американской олимпийской сборной – прыгунами на лыжах с трамплина и велосипедистами. Несколько научных исследований показывают, что электростимуляция моторной коры способна увеличивать выносливость, силу мышц, технику движений и сенсорно-моторную адаптацию.
В рамках этого обзора у меня, к сожалению, нет возможности подробно остановиться на всех когнитивных эффектах tDCS у здоровых людей. Однако я написал о них раньше несколько статей, так как сам являюсь поклонником этой технологии. Здесь же я постараюсь поглубже вникнуть только в научные статьи касательно концентрации внимания.
Использование tDCS для тренировки военных на видеосимуляторах и во время спортивных тренировок.
Что касается принципов действия электростимуляции на мозг, то процедура устроена следующим образом. К коже
