Электрическая стимуляция улучшает моторное обучение в ходе исследования
Исследователи из Копенгагенского университета продемонстрировали, что способность мозга к обучению определенным навыкам может быть значительно улучшена, если и мозг, и нервная система будут подготовлены тщательно откалиброванными, точно рассчитанными по времени электрическими и магнитными стимуляциями. Это новое исследование может открыть совершенно новые перспективы в реабилитации и, возможно, в элитном спорте.
Ученые тщательно рассчитывают процесс. Сначала электричество подается на нерв в предплечье испытуемого. Миллисекунды спустя магнитная стимуляция применяется к двигательной области его мозга с помощью катушки, размещенной на голове. Непосредственный эффект виден как небольшие непроизвольные подергивания в руке испытуемого. Через десять секунд процесс повторяется.
Хотя это может вызвать образы доктора Франкенштейна за работой, реальность такова, что это новаторское исследование способности мозга к обучению, которое может открыть новые возможности для понимания функций мозга и предоставить новые возможности для двигательной тренировки и реабилитации. Молодые, здоровые испытуемые, как сообщается, почти ничего не чувствовали во время процесса, но продемонстрировали повышенные преимущества от сеанса двигательной тренировки после этого.
«Цель стимуляции — повлиять на сети спинного мозга с двух сторон с помощью электрических импульсов. При многократном и точном измерении времени эффективность сети может быть повышена. Наши новые результаты показывают, что это также может улучшить способность людей впоследствии осваивать двигательные навыки. Именно это демонстрирует наше исследование», — объясняет Йонас Руд Бьёрндал, доктор философии из Департамента питания, физических упражнений и спорта и один из ведущих исследователей исследования.
В исследовании Бьёрндала, Йеспера Лундбю-Йенсена и их коллег, опубликованном в журнале Nature Communications , было показано, что испытуемые способны улучшить результаты своих тренировок и повысить производительность двигательных задач до 30% после получения стимуляции перед тренировкой.
В среднем участники улучшили свои способности примерно на 20% только за счет тренировок, что делает стимуляционные улучшения значительными. Исследование включало серию из четырех экспериментов с использованием так называемых парных стимуляций мозга и периферических нервов.
Однако Йеспер Ландбай-Дженсен, доцент и руководитель отдела движений и неврологии на кафедре питания, физических упражнений и спорта, предупреждает, что это не чудодейственный метод:
«Вы не станете лучше в чем-либо — или чемпионом по метанию копья — просто пропуская слабые токи через свою нервную систему . Это, вероятно, неудивительно. Но наши исследования показывают, что сочетание стимуляции с последующей тренировкой может значительно повысить пользу от тренировки, потенциально делая ее серьезным подспорьем на этом пути».
Пластичность мозга — ключ к обучению
При обучении двигательным задачам, будь то максимально быстрое движение пальцев (как в исследовании), игра на гитаре или метание копья, мозг должен иметь возможность физически меняться с практикой. Это возможно благодаря его пластичности.
Эксперимент I: Эффекты парной кортико-мотонейрональной стимуляции (PCMS) и покоя на баллистическое двигательное обучение и кортикоспинальную возбудимость. Кредит: Nature Communications (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-49478-5
«Мозг и центральная нервная система должны иметь возможность физически адаптироваться, потому что именно так мы учимся. Эти изменения в нервной системе также важны для памяти, позволяя нам сохранять и вспоминать то, что мы узнали», — объясняет Лундбю-Дженсен.
Новое исследование основывается на предыдущих исследованиях, показывающих, что на пластичность мозга можно положительно влиять посредством стимуляции мозга и периферических нервов, например, через предплечье. Исследователям удалось продемонстрировать, что при точных настройках и времени эта пластичность — и готовность к обучению — может быть улучшена с помощью таких многократно парных электрических и магнитных стимуляций, которые сталкиваются в спинном мозге.
«Поскольку мы и другие в более ранних исследованиях показали, что способность к обучению двигательным навыкам связана с пластическими изменениями в нервной системе, было логичным шагом изучить, могут ли эти два фактора иметь комбинированный эффект. Наши результаты показывают, что действительно есть значительная польза», — говорит Бьёрндал.
Исследователи подчеркивают важность точного расчета времени для парных стимуляций как важнейшего вклада в эту область. Если расчет времени стимуляций неверен, эффект будет гораздо менее выраженным.
«Это усложняет применение метода, но он согласуется с нашими знаниями о механизмах, задействованных в пластичности мозга, — о том, что точно рассчитанные по времени, повторяющиеся активации могут способствовать укреплению связей нервной системы. Новое здесь то, что последующее обучение может использовать эффекты, которые стимуляция создает в нервной системе. Эти знания фундаментально интересны и будут интересны для расширения в будущих исследованиях», — добавляет Бьёрндал.
Новые перспективы реабилитации и, возможно, элитного спорта
Результаты исследования дают свежий взгляд на связь между пластичностью мозга и эффектами двигательной тренировки. Хотя степень, в которой эти знания помогут людям улучшить двигательную функцию, остается неопределенной, исследователи надеются, что их результаты принесут пользу обществу.
Первоначально эта методика могла бы открыть новые возможности для стратегий реабилитации, используемых в физиотерапии, здравоохранении и уходе за пожилыми людьми.
«В нашем обществе есть люди, которым, например, из-за травм нервной системы приходится преодолевать огромные трудности, чтобы восстановить подвижность. Очевидно, что тренировки необходимы. Но если новые методы — включая наши исследования, в долгосрочной перспективе — смогут сделать эти тренировки более эффективными, пусть даже немного, это будет чрезвычайно приятно», — говорит Лундбю-Дженсен.
Кроме того, методы стимуляции также могут оказаться полезными для элитных спортсменов, особенно в дисциплинах, включающих баллистические движения, которые зависят от взрывной мышечной силы. Однако любой, кто хочет проверить эти экспериментальные методы для повышения собственной подготовки, может столкнуться с трудностями в доступе к оборудованию, которое в настоящее время доступно только исследователям и сотрудникам университетов и больниц.