Tuba Aktürk, 2022 yılında çift doktorasını Nörobilim alanında İstanbul Medipol Üniversitesinde ve Kognitif Sinirbilim alanında Maastricht Üniversitesinde tamamladı. Şu anda İstanbul Medipol Üniversitesinde öğretim üyesidir. Sağlık Bilim ve Teknolojileri Araştırma Enstitüsü’nde nöromodülasyonun beyin osilasyonlarına ve bellek başta olmak üzere bilişsel süreçler üzerine etkileri konusundaki araştırmalarını sürdürmektedir. Ana araştırma alanları EEG-beyin osilasyonları, EEG-sinyal analizi ve non-invaziv beyin uyarım yöntemleridir.
Nöromodülasyon, beynin süregiden, olağan çalışma şeklinin dışarıdan yapılan müdahalelerle değiştirilmesini içeren yöntemlerin tümüdür. Esasen farmakolojik tedaviler (ilaçlar), rehabilitasyon müdahaleleri, psikoterapiler de bir çeşit nöromodülasyondur. Ancak birçok durumda bu yaklaşımlar tek başına yetersiz kalabilir ve/veya yan etkileri sebebiyle zorluklarla karşılaşılabilir. Bu noktada, görece yeni ve oldukça umut vaat eden bir yöntem olan invazif (girişimsel) olmayan beyin uyarım yöntemleriyle nöromodülasyon karşımıza çıkmaktadır. Günümüzdeki modern beyin uyarım yöntemleri, kafatası üzerinden uygulanan (transkraniyal) elektrik akım veya manyetik alan yoluyla beynin halihazırdaki nöral aktivitesine müdahale ederek istenen şekilde manipüle etme esasına dayanır (Antal ve Herrmann, 2016; Antal ve Paulus, 2013; Lefaucheur vd., 2017; Nitsche vd., 2008). Modern transkraniyal elektrik uyarım kavramı nispeten genç olsa da aslında beyin aktivitesini değiştirmek için elektrik uyarımı kullanma fikrinin arkasında birkaç yüzyıllık tarih vardır. Antik Yunan döneminden, Plato ve Aristoteles’in torpedo balıklarının elektrik deşarjlarının tedavi edici etkisinden bahsettiği bilinmektedir (Sarmiento vd., 2016). Tarihteki ilk örneklerinde elektrik balıklarının kafa üzerine yerleştirilerek ağrı, depresyon, epilepsi gibi bazı hastalıkların tedavisinde kullanıldığını işaret eden örneklere rastlanmaktadır (Sarmiento vd., 2016).
Modern elektrik uyarım yöntemleri, günümüzde kullanılan şekli ile, nöronal ağların aktivasyonunu etkileyebilir ancak var olmayan nöronal aktiviteyi başlatmak için yeterince güçlü değildir; çalışma mekanizmaları, var olan nöral aktivasyonun modülasyonu üzerindendir. Yapılan bilimsel çalışmalarda genellikle transkraniyal elektrik uyarımın iki yaygın formu kullanılmaktadır: Bunlardan birisi yerleştirilen elektrotlar aracılığı ile alternatif akım ileten formu (transkraniyal alternatif akım uyarımı, tAAU), diğeri ise yerleştirilen elektrotlar aracılığı ile doğru akım ileten formudur (transkraniyal doğru akım uyarımı, tDAU).
Transkraniyal doğru akım uyarımı, tDAU (transcranial direct current stimulation, tDCS): İki veya daha fazla elektrot aracılığıyla kafa derisine düşük yoğunluklu bir doğru akım uygulayarak nöronal aktiviteyi modüle etmek ve (hücreleri uyarılma eşiğine yaklaştırarak) sinaptik plastisiteyi artırmak için kullanılan, invazif olmayan bir nöromodülasyon teknolojisidir.
tDAU’nun çalışma mekanizması: tDAU, özünde oldukça basit bir teknolojidir. Bir pil, kafatası üzerine yerleştirilmiş elektrotlar arasında seyahat eden bir doğru akım oluşturur. Akım bir elektrottan başlar, alttaki beyin bölgelerinden geçer -en azından hedeflenen elektrik akımın altta yatan beyin bölgelerinden geçmesidir- ve diğer elektroda/elektrotlara ulaşır. Asıl mesele ise bu sırada, yani elektrik alan açıkken, beyinde neler olduğudur. tDAU, nöronların ateşleme eşiğini değiştirerek onların ateşlenmesini biraz daha kolaylaştırır. Nöronların aktivasyonu artık daha kolay olduğu için bu nöronal aktivitede genel bir artış sağlayabilir. Bu da dolaylı olarak hücrelerin ateşlenme sıklığında artışa ve ayrıca yeni nöral bağlantıların fiziksel olarak büyümesine ve mevcut bağlantıların güçlendirilmesine neden olan bir kaskadı tetikleyebilir ki buna nöral plastisite süreci de denmektedir (Stagg vd., 2018; Reato vd., 2019). Bu şekilde tDAU, yalnızca beyin aktivitesini doğrudan artırmakla kalmayıp dolaylı olarak beyni daha esnek hale getirerek öğrenme hızını artırabilir. Yapılan çalışmalarda şimdiye kadar gösterildiği kadarıyla uyarımın doğrudan etkileri, uyarım seansından sonra birkaç dakikadan birkaç saate kadar değişebilir (Bikson vd., 2019). Yeni bağlantıların ve beynin olağan durumundaki değişikliklerin dolaylı etkileri ise çok daha uzun sürebilir.
Transkraniyal alternatif akım uyarımı, tAAU (transcranial alternating current stimulation, tACS): İki veya daha fazla elektrot aracılığıyla kafa derisine düşük yoğunluklu bir alternatif akım uygulayarak nöronal aktiviteyi modüle etmek ve (hücrelerin ateşleme zamanlarını değiştirerek) sinaptik plastisiteyi artırmak için kullanılan, invazif olmayan bir nöromodülasyon teknolojisidir.
tAAU’nun çalışma mekanizması: Beynin süreğen salınımsal aktivitesine spesifik olarak müdahale edebilmek için belli bir frekansta (örn; 7 Hz) ritmik uyarıma izin veren bir yöntemdir. tAAU, süregiden beyin salınımlarını istenen şekilde yönlendirebilmek için istenen frekansta sinüzoidal akımlar verir (Antal ve Herrmann, 2016; Baltus vd., 2017; Enriquez-Geppert vd., 2014; Veniero vd., 2016). Alternatif akım ile uygulanan uyarımın nöronların uyarılma eşiklerini değil ancak uyarılma zamanlarını modüle ettiği düşünülmektedir. Sinapsların (nöronlar arası bağlantıların) değişen elektrik alana maruz kalıyor olmalarının kısa süreli sinaptik plastisiteye yol açacak mekanizmaların tetiklenmesine sebep olduğu düşünülmektedir (Citri ve Malenka, 2008). tAAU kullanarak süregiden beyin salınımlarının bu şekilde dışarıdan manipülasyonu, bu beyin salınımlarıyla ilişkilendirilen bilişsel ve emosyonel süreçleri etkileyebilmektir ve böylelikle beyin salınımlarını dışsal müdahalelerle düzenleyip kontrol edebilme ihtimali doğmaktadır.
Peki, elektrik uyarım ile nöromodülasyon ne için kullanılabilir? Elektrik uyarım ile yürütülen bilimsel çalışma alanları temelde ikiye ayrılabilir: 1- Sağlıklı bireylerde performans artırma amacıyla kullanımı (neuroenhancement) araştıran çalışmalar, 2- Klinik gruplarda tedavi/tedaviye yardımcı amaçlı kullanımı araştıran çalışmalar. Performans artırma odaklı çalışmalara baktığımızda, aralarında belleğin de olduğu çeşitli kognitif alanlarda elektrik uyarımın pozitif etkileri gösterilmiştir. Farklı farklı çalışmalarda gösterilmiş olan bulgular arasında yaratıcılık ile ilgili birtakım ölçütlerin geliştirilmesi, sürekli dikkatin iyileştirilmesi, istenmeyen zihin dağınıklığında azalma ve yorgunluk üzerindeki kafein benzeri etkiler de yer almaktadır (Antal vd., 2022).
Bu çalışmalara elektrik uyarımın belleğe etkisi özelinde bakacak olursak, elektrik uyarımın bellek üzerine olan etkisi ile ilgili alandaki öncü çalışmalardan biri Marshall ve arkadaşları tarafından 2006 yılında gerçekleştirilmiştir. Bu çalışmada bir gruba bellek güçlendirilmesinin (konsolidasyon) yapıldığı yavaş dalga uykusu sırasında beynin ürettiği yavaş dalgaya benzer elektrik akım uygulanmıştır. Çalışmanın sonuçlarına göre, uygulanan uyarım uyku boyunca yavaş dalga aktivitesini arttırmıştır ve dahası, bu kişilerin bir gece önce öğretilmiş olan kelime listesini hatırlama performansları elektrik uyarım uygulanmamış gruba göre artmıştır. Elektrik uyarımın çalışma belleği, kısa süreli bellek ve uzun süreli bellek performansını önemli ölçüde artırabildiğini gösteren çeşitli çalışmalar bulunmaktadır (Fregni vd., 2005; Jaušovec & Jaušovec, 2014; Vosskuhl vd., 2015, Wolinski vd., 2018; Aktürk vd., 2022; Ke vd., 2019; Bjekic vd., 2019). Örneğin yavaş frekansta salınan teta tAAU uygulamasının tek bir seansta bile bellek performansında ölçülebilir bir artışa sebep olduğu gösterilmiştir (Jaušovec & Jaušovec, 2014; Vosskuhl vd., 2015, Wolinski vd., 2018; Aktürk vd., 2022). Yine bu çalışmalarda frontal ve parietal beyin bölgeleri üzerinden yapılan elektrik uyarımın bellek performansını etkilemek için uygun lokasyonlar olarak öne çıktığı görülmektedir.
Bununla birlikte, benzer çalışmaları yürütüp elektrik uyarımın benzer kognitif işlevlerin geliştirilmesine etkisi olmadığını göstermiş olan çalışmalar da bulunmaktadır (Antal vd., 2022). Ya da olumlu etki sonucu bildiren çalışmaların birçoğunda da katılımcılardan bir kısmının elektrik uyarımdan yararlanmadığı görülmektedir. Bu noktada, bilimdeki genel tekrarlanabilirlik sorunlarına ek olarak, aynı elektrik uyarım uygulamasının farklı bireylerde farklı etkiler meydana getirmesinde bireysel faktörlerin de en önemli etmenlerden birisi olduğunu söyleyebiliriz. Uygulanan elektrik uyarımın istenen etkiyi bireyde meydana getirebilmesi için bireysel faktörlere göre uyarım parametrelerinin adaptasyonu, yani “bireyselleştirme”, elektrik uyarım çalışmalarındaki güncel odağı oluşturmaya başlıyor. Bireyselleştirilmesi-kontrol edilmesi gereken parametreler listesi ise oldukça uzun. Bunlardan bazıları: Uygulama frekansı, elektrik akımın yoğunluğu, elektrotların sayısı, boyutu ve lokalizasyonu, uyarım yapılan bireyin o anki zihinsel durumu (brain-state), uyarımın hemen öncesinde ve uyarım sırasında bireylerin ne yapıyor oldukları, bireyin kognitif durumu, yaş-cinsiyet gibi demografik özellikler, bireyin kullandığı ilaçlar, sahip olduğu hastalıklar ve benzeri. Burada verilen listedeki her bir madde elektrik uyarımın sonuçlarını etkileyebilecek olan, dolayısıyla bireye özgü bir şekilde optimize edilmesi gereken maddelerin bir kısmını oluşturmaktadır. Beynin karmaşık ve doğrusal olmayan yapısı da göz önünde bulundurulduğunda bu alandaki çalışmaların umut vaat eden sonuçlarının yanı sıra daha gidecek çok yolu var gibi görünüyor.
Güvenlik: Potansiyel Yan Etkileri Nelerdir? Elektrik uyarımla ilgili 2017 yılında yayınlanan güvenlik kılavuzuna göre tAAU uyarımında sağlıklı katılımcılarda ve nörolojik ve psikiyatrik hastalarda şimdiye kadar uygulanan 18.000’den fazla seansta bugüne kadar ciddi yan etki bildirilmemiştir. Hafif yan etkiler olarak ise 2 miliamperin üzerindeki yüksek yoğunluktaki tAAU uyarımı sırasında karıncalanma, yanma hissi ve uyarım sonrasında baş ağrısı ve yorgunluk bildirilmiştir. Bu güvenlik kılavuzunda sonuç olarak tAAU uygulamasının sağlıklı popülasyonlarda test edilmiş deneysel protokollerdeki uyarım yoğunlukları ve uyarım süreleri için güvenli olduğuyla ilgili anlaşmaya varılmıştır (Antal vd., 2017). Aynı şekilde, 2016 yılında Bikson ve arkadaşları tarafından yapılan tDAU güvenlik derlemesinde de benzer sonuçlar raporlanmıştır: Binlerce çalışma, tekrar tekrar, tDAU’nin çok yüksek bir güvenlik profiline sahip olduğunu doğrulamıştır.
Tüm bunları birlikte değerlendirdiğimizde, elimizdeki güncel bilimsel veriler ışığında şunu diyebiliriz ki, evet, elektrik uyarımla belleği modüle edebilmek, kontrol edilmesi gereken onlarca faktöre bağlı bir şekilde de olsa, mümkün! Ancak burada değinilmesi gereken önemli bir nokta sağlam bilimsel bulgular doğrultusunda ilerlemek gerektiğidir. Uygulamanın artan popülaritesi ve medyanın yanlış yansıtmaları ile birlikte oluşabilecek bir “mucize cihaz” algısı bilimsel yaklaşımdan uzak, kötüye kullanımları doğurabilir.
Kaynakça
Aktürk, T., de Graaf, T. A., Güntekin, B., Hanoğlu, L., & Sack, A. T. (2022). Enhancing memory capacity by experimentally slowing theta frequency oscillations using combined EEG-tACS. Scientific Reports, 12(1), 14199.
Antal, A., & Herrmann, C. S. (2016). “Transcranial Alternating Current and Random Noise Stimulation: Possible Mechanisms”, Neural Plasticity, 2016. http://doi.org/10.1155/2016/3616807
Antal, A., & Paulus, W. (2013). “Transcranial alternating current stimulation (tACS)”, Frontiers in Human Neuroscience, 7(June), 1–4. http://doi.org/10.3389/fnhum.2013.00317
Antal, A., Alekseichuk, I., Bikson, M., Brockmöller, J., Brunoni, A. R., Chen, R., … & Paulus, W. (2017). Low intensity transcranial electric stimulation: safety, ethical, legal regulatory and application guidelines. Clinical Neurophysiology, 128(9), 1774–1809.
Antal, A., Luber, B., Brem, A. K., Bikson, M., Brunoni, A. R., Kadosh, R. C., … & Paulus, W. (2022). Non-invasive brain stimulation and neuroenhancement. Clinical neurophysiology practice, 7, 146–165.
Baltus, A., Wagner, S., Wolters, C. H., & Herrmann, C. S. (2017). “Optimized auditory transcranial alternating current stimulation improves individual auditory temporal resolution”, Brain Stimulation, 1–7. http://doi.org/10.1016/j.brs.2017.10.008
Bikson, M., Grossman, P., Thomas, C., Zannou, A. L., Jiang, J., Adnan, T., … & Woods, A. J. (2016). Safety of transcranial direct current stimulation: evidence based update 2016. Brain stimulation, 9(5), 641–661.
Bikson, M., Paulus, W., Esmaeilpour, Z., Kronberg, G., & Nitsche, M. A. (2019). Mechanisms of acute and after effects of transcranial direct current stimulation. Practical guide to transcranial direct current stimulation: principles, procedures and applications, 81–113.
Bjekić, J., Čolić, M. V., Živanović, M., Milanović, S. D., & Filipović, S. R. (2019). Transcranial direct current stimulation (tDCS) over parietal cortex improves associative memory. Neurobiology of Learning and Memory, 157, 114–120.
Citri, A., & Malenka, R. C. 2008. “Synaptic plasticity: multiple forms, functions, and mechanisms”, Neuropsychopharmacology, 33(1), 18.
Enriquez-Geppert, S., Huster, R. J., Scharfenort, R., Mokom, Z. N., Zimmermann, J., & Herrmann, C. S. 2014. “Modulation of frontal-midline theta by neurofeedback”, Biological Psychology, 95(1), 59–69. http://doi.org/10.1016/j.biopsycho.2013.02.019
Fregni F, Boggio PS, Nitsche M, Bermpohl F, Antal A, Feredoes E, Marcolin MA, Rigonatti SP, Silva MT, Paulus W, Pascual-Leone A. Anodal transcranial direct current stimulation of prefrontal cortex enhances working memory. Exp Brain Res. 2005 Sep;166(1):23–30. Epub 2005 Jul 6. PubMed PMID: 15999258
Jaušovec, N., & Jaušovec, K. (2014). “Increasing working memory capacity with theta transcranial alternating current stimulation (tACS)”, Biological psychology, 96, 42–47.
Ke Y, Wang N, Du J, Kong L, Liu S, Xu M, An X, Ming D. The Effects of Transcranial Direct Current Stimulation (tDCS) on Working Memory Training in Healthy Young Adults. Front Hum Neurosci. 2019 Feb 1;13:19. doi: 10.3389/fnhum.2019.00019.
Lefaucheur, J.-P., Antal, A., Ayache, S. S., Benninger, D. H., Brunelin, J., Cogiamanian, F., … Paulus, W. (2017). “Evidence-based guidelines on the therapeutic use of transcranial direct current stimulation (tDCS)”, Clinical Neurophysiology, 128(1), 56–92. http://doi.org/10.1016/j.clinph.2016.10.087
Marshall, L., Helgadóttir, H., Mölle, M., & Born, J. (2006). “Boosting slow oscillations during sleep potentiates memory”, Nature, 444(7119), 610.
Nitsche, M. A., Cohen, L. G., Wassermann, E. M., Priori, A., Lang, N., Antal, A., … Pascual-Leone, A. (2008). “Transcranial direct current stimulation: State of the art 2008”, Brain Stimulation, 1(3), 206–223. http://doi.org/10.1016/j.brs.2008.06.004
Reato, D., Salvador, R., Bikson, M., Opitz, A., Dmochowski, J., & Miranda, P. C. (2019). Principles of transcranial direct current stimulation (tDCS): introduction to the biophysics of tDCS. In Practical guide to transcranial direct current stimulation (pp. 45–80). Springer, Cham.
Sarmiento, C. I., San-Juan, D., & Prasath, V. B. S. (2016). Brief history of transcranial direct current stimulation (tDCS): from electric fishes to microcontrollers. Psychological medicine, 46(15), 3259–3261.
Stagg, C. J., Antal, A., & Nitsche, M. A. (2018). Physiology of transcranial direct current stimulation. The journal of ECT, 34(3), 144–152.
Veniero, D., Stru ber, D., Thut, G., & Herrmann, C. S. (2016). “Noninvasive Brain Stimulation Techniques Can Modulate Cognitive Processing”, Organizational Research Methods. http://doi.org/10.1177/1094428116658960
Vosskuhl, J., Huster, R. J., & Herrmann, C. S. (2015). “Increase in short-term memory capacity induced by down-regulating individual theta frequency via transcranial alternating current stimulation”, Frontiers in human neuroscience, 9, 257.
Wolinski, N., Cooper, N. R., Sauseng, P., & Romei, V. (2018). “The speed of parietal theta frequency drives visuospatial working memory capacity”, PLoS biology, 16(3), e2005348.
