Тату во имя науки

Если в юношестве вам запрещали делать татуировки, то вот весомый аргумент в защиту этого искусства. Ученые из Балтийского федерального университета имени Канта и Сколтеха Лев Яковлев и Николай Сыров вместе с тату-мастером Германом Девяшиным и продюсером Михаилом Новицким исследовали механизмы боли на добровольцах, пожелавших сделать татуировку, и даже сняли об этом фильм. Николай и Лев рассказывают, как появилась такая необычная коллаборация и что из этого вышло.

Мы изучаем, как ведет себя мозг человека при различной сенсомоторной нагрузке: когда подопытный выполняет определенные движения или ощущает (или просто воображает) прикосновения. По-научному это называется сенсомоторная интеграция, то есть взаимодействие чувствительных и двигательных областей мозга. В апреле 2022 года мы начали новое исследование, посвященное боли: тому, как возникает боль, как мозг обрабатывает болевые сигналы и как подавляет их в случае необходимости. Нас интересовало отражение болевых реакций в мозговой активности человека.

Как изучают боль

Обычно при исследовании боли ученые смотрят на реакцию, которая возникает в ответ на повреждение тканей теплом, холодом, механическим давлением и химическими веществами. Изучают болевые состояния, связанные с повреждением нервной системы: невриты, невралгии или послеоперационную боль. Наконец, моделируют воспалительные процессы.

Первую животную модель нейропатической боли в 1979-м предложили Патрик Уолл и его коллеги. Ученые перерезали седалищный нерв крысы и поместили его отрезанный конец в запаянную полиэтиленовую трубку, а также перерезали подкожный нерв, чтобы полностью денервировать конечность. Эта процедура, которая теперь известна как модель невромы, воспроизводит синдромы, наблюдаемые после ампутации при фантомной боли или в результате повреждения нерва.

Из-за того, что аксон нерва разрастается в поисках нового места прикрепления (это называется спраутинг), развивается неврома — доброкачественное образование из нервной и соединительной ткани. В течение нескольких дней крысы начинали грызть свою лапу на стороне пересечения нерва. Считается, что эта реакция — аутотомия — следствие возникшей постоянной боли и что таким образом животное пытается избавиться от больной конечности.

В последние два десятилетия стало популярным изучение на животных и послеоперационной боли. Эксперименты предполагают моделирование как отдельных разрезов, так и сложных операций: торакотомии или хирургии грыжи, замены коленного сустава. Эти модели помогают выявить развитие болевых синдромов, специфичных для отдельных частей тела и систем органов.

С человеком сложнее: можно либо изучать естественную боль, либо использовать слабые стимулы, которые не наносят вреда и не причиняют дискомфорт. Поэтому теории о хронических болевых синдромах строятся в основном на результатах терапии обратившихся за помощью пациентов и анализе причин развития патологии.

Воздействия на здоровых добровольцев всегда кратковременны. Используют игольчатую стимуляцию нервов, электрический ток и лазер. Последний быстро набирает популярность, потому что нагрев кожи позволяет стимулировать только нервные волокна типа С, отвечающие за передачу тупой боли и температурной чувствительности, изолированно от волокон, связанных с болевым восприятием и раздражением остальных рецепторов кожи.

И все же безопасных, но эффективных инструментов для изучения нейрофизиологии боли на человеке пока недостает.

Почему татуировки

Искусственно делать человеку больно — негуманно. Но есть случаи, когда люди добровольно, даже с радостью, готовы терпеть неприятные ощущения. Так появилась идея записать электроэнцефалограмму человека на тату-сеансе.

До нас никто никогда не исследовал боль от тату-машинки с точки зрения нейрофизиологии, используя метод электроэнцефалографии (ЭЭГ). Поэтому одним из первоочередных вызовов было обеспечить синхронизацию инструмента мастера с ЭЭГ-оборудованием. Важно, чтобы воздействие на испытуемого и регистрация его мозговых реакций были очень точно согласованы во времени. Для этого мы модифицировали педаль, управляющую тату-машинкой, чтобы всякий раз, когда ее нажимал, в энцефалограф посылалась метка «машинка включилась». При отключении, соответственно, появлялся маркер «машинка выключилась».

Также надо было оценить, насколько работа прибора загрязняет сигнал. Чтобы отработать методику, увидеть возможные недостатки и проработать их заранее, мы со всем оборудованием приехали в гости к Герману. Там стал первым испытуемым: выбрал один из эскизов и опробовал процедуру на себе. Оказалось, что машинка вносит в сигнал шум, который при обработке можно удалить методом независимых компонент (ICA, independent component analysis).

Добровольцы

У нас было всего два дня на эксперимент, так что мы решили записать для начала десять человек. Этого достаточно, чтобы оценить наличие хотя бы каких-то эффектов. Если эффект, пусть и слабый, найдется, мы сможем провести испытания на большей выборке.

Ранее Герман поделился с нами наблюдением, что новички и опытные клиенты различаются по восприятию боли на сеансе. Поэтому мы набрали половину группы из «наивных» новичков, и половину — из уже «забитых» ребят.

Перед включением в эксперимент мы опросили всех участников, чтобы убедиться, что у них нет заболеваний, противопоказаний, назначенных медикаментов, а также проинформировали каждого о процедуре и возможных последствиях. Испытуемые подписали письменное согласие.

Эксперимент

Испытания проходили в павильоне «Дизайн-завода» в апреле 2022 года. На два дня мы превратили его в лабораторию: компактность оборудования для ЭЭГ позволяет быстро развернуться практически в любом месте. Надо сказать, что мы сразу приняли решение снять все манипуляции и сделать фильм, поэтому заранее подготовили павильон к съемкам, расставили свет и камеры и договорились о максимальной тишине во время эксперимента. Все разговоры и хождения по площадке были возможны только при подготовке, пока не начался эксперимент.

Испытуемые приходили по пять человек в день друг за другом, и мы их записывали. Каждого участника усаживали с непроницаемой повязкой на глазах и в берушах в удобное кресло. На голову надевали специальную шапочку из 32 равномерно распределенных хлорид-серебряных электродов, смазанных электропроводящим гелем.

Эксперимент включал несколько стадий. Сперва поочередно на предплечья обеих рук воздействовали вибрацией (на правой руке в этом месте позже появится татуировка). Герман прикладывал работающую машинку без иглы к поверхности руки на 10 секунд — стандартное экспериментальное условие тактильного воздействия. Затем в течение 10–15 секунд записывалось состояние без какого-либо воздействия — состояние покоя. Процедура повторялась по 20 раз для каждой руки, после чего начинали наносить татуировку. Нанесение длилось от 20 до 40 минут в зависимости от эскиза, и все это время также непрерывно записывалась ЭЭГ. В моменты непосредственного взаимодействия иглы с кожей в сигнале проставлялись специальные метки, которые мы использовали при расшифровке. После того, как татуировка была сделана, мы повторяли процедуру с тактильной стимуляцией.

Почему больно

С точки зрения добровольца болевое воздействие выглядело так. Тату-мастер включает машинку — участник чувствует вибрацию и покалывание в руке. Игла быстро проходит в верхний слой эпидермиса, выпуская чернила. Резь пронизывает руку. За эти ощущения ответственны отростки нервных клеток в наружном слое кожи и нервные волокна, по которым передается информация о боли.

В норме у людей воспринимающие боль нервные клетки двух типов: волокна типа А дельта и волокна типа С. Волокна А дельта проводят нервные импульсы очень быстро и отвечают за передачу острой боли. Волокна типа С — медленные и передают сигнал о тупой боли и температурной чувствительности. Правда, есть еще третьи — волокна А бета. Они тоже очень быстрые, но реагируют не на боль, а на прикосновения. В случае наших испытуемых волокна А бета указывают, в каком месте руки мастер сейчас работает. Без этих волокон человек бы понимал, что больно, но не знал, где именно.

При чем здесь мозг? Почему мы регистрируем боль электродами на голове? Восприятие боли аналогично, по сути, зрительному, вкусовому, звуковому. Болевой сигнал передается по нервным волокнам в задние рога спинного мозга, а оттуда, переходя на противоположную половину тела, поднимается в головной мозг. Далее — в таламус и кору головного мозга. Здесь происходит осознание боли: человек понимает, где и с какой силой болит, каков характер боли.

Параллельно из таламуса нервные импульсы могут уходить в миндалину и поясную извилину. Это так называемый эмоционально-аффективный путь, отвечающий за эмоциональную окраску боли. Человек может испытывать разные чувства: беспомощность, страдание, досаду, удовольствие, злость.

Наконец, включается третий механизм — спиномезенцефалический ответ. Информация о боли поступает из спинного мозга в три структуры: голубое пятно, ядра шва и центральное серое вещество среднего мозга. Эти структуры составляют основу антиноцецептивной системы организма — естественного инструмента облегчения боли, и, получив сигнал, они отправляют импульсы обратно в спинной мозг, чтобы приглушить боль.

Избавление от шума

Анализ ЭЭГ всегда начинается с предварительной очистки сигнала. Работающая от сети машинка, перемещения руки испытуемого и прочие манипуляции иногда давали помехи. Кроме того, метод по своей природе не идеален, поэтому нам пришлось отфильтровать лишние сигналы, в частности электромагнитные колебания от ноутбука и прочей техники. Наконец, мы убрали артефакты, связанные не с активностью мозга, а с движениями глаз и мышц век.

Нашей целью была ритмическая активность в диапазоне от 1 до 30 герц, который содержит сенсомоторные ритмы. Мы установили, что каждое воздействие тату-машинкой на кожу длилось в среднем не менее шести секунд. Поэтому на эпохи (отрезки) такой продолжительности мы разделили сигнал с момента начала болевой стимуляции. Каждая эпоха подвергалась анализу интенсивности колебаний на разных частотах. Для этого мы использовали метод вейвлет-свертки. Он предполагает последовательное умножение исходного сигнала на  — маленький шаблонный кусочек сигнала. После каждой операции умножения вейвлет сдвигается относительно сигнала и снова перемножается. Проще говоря, мы один за одним сравниваем кусочки сигнала с вейвлетом. Мы использовали стандартный сет комплексных вейвлетов Морле, применив стандартную функцию из библиотеки для анализа ЭЭГ.

В итоге получилось выделить мозговую активность, связанную только с болевыми и тактильными стимулами.

Результаты

При болевом воздействии мы наблюдали ярко выраженную альфа-активности в центральных отведениях головного мозга испытуемых. Особенно — в левом полушарии, противоположном руке, подвергавшейся болевому воздействию. Это значит, что все добровольцы чувствовали воздействие тату-машинки и связанные с ним болевые ощущения, то есть сигналы доставлялись в мозг.

При продолжительной тату-стимуляции со временем область десинхронизации расширялась — значит число нейронов, вовлеченных в обработку болевой сенсорной информации, увеличивалось: подключались все новые и новые нейронные цепи. В первую секунду после прикосновения иглы тату-машинки к коже очаг десинхронизации наблюдался в центральных и центрально-теменных областях, а затем активация распространялась на лобную и теменную области. Очаг десинхронизации в правом полушарии, противоположном изначально возбужденному, также увеличивался.

Этот эффект может быть связан с активацией нейронов сенсомоторной сети, то есть нейронов моторной и соматосенсорной коры, функционирующих как единый контур в ответ на болевую стимуляцию. Схожий тип альфа-активности получали и другие ученые в своих ЭЭГ-исследованиях боли (1, 2). Одно из объяснений такой реакции — мобилизация кортикальных представительств всех сенсорных систем, что помогает организму быть более восприимчивым, когда нарушается целостность тела (о чем нам и сигнализирует боль), эффективнее реагировать на все внешние стимулы и попытаться избежать опасности.

Затем стоило разобраться, была ли разница в ощущении боли и реакции на нее у двух групп испытуемых. Мы увидели, что у всех запускалась работа центральных механизмов обезболивания. Об этом свидетельствует развивающаяся реакция синхронизации альфа- и бета-активности в лобных и теменных областях мозга после сеанса татуировки. Но в подгруппе забитых добровольцев синхронизация была ниже по сравнению с наивными. Можно предположить, что у тех, кто ранее неоднократно переживал болевые ощущения, естественные механизмы обезболивания ослабляются.

Новые эксперименты

То, что у нас получилось в пилотном исследовании, дает надежду, что мы сможем обнаружить больше интересных эффектов. Так, мы планируем тщательнее изучить различия в реакции на боль у наивных и забитых добровольцев. Поэтому выборка станет больше — человек 20–30. Мы уже обрабатываем ЭЭГ 17 новых участников и продолжаем записывать новых испытуемых у себя в лаборатории.

В перспективе мы унифицируем дизайн татуировок, чтобы их общая площадь и характер воздействия иглы были одинаковыми. При этом эскизы останутся художественными и индивидуальными — обычный человек не заметит, что мы зашили в татуировку особый паттерн из линий и точек.

Вибро-тактильная стимуляция в начале и в конце эксперимента также станет стандартизированной. Для этого мы взяли вибромоторы, подключенные к плате Arduino, которые используем в своих экспериментах по тактильной стимуляции. Один из плюсов такого подхода — возможность подавать одинаковые одиночные вибро-стимулы и смотреть индивидуальные ответы на эти воздействия. Так можно увидеть развитие особых потенциалов (волн), которые помимо ритмической активности (которую мы смотрели в первом эксперименте) отражают состояние коры больших полушарий. В частности, получится проверить, будут ли вызванные соматосенсорные потенциалы по-разному изменяться для татуированной и нетронутой рук до и после тату-сессии, а также между подгруппами добровольцев.

И хотя изучение активности мозга при нанесении татуировок мы попробовали впервые, это открывает большие возможности для исследования боли на человеке. Это довольно серьезное болевое воздействие, в некоторой степени травмирующее, но ежедневно тысячи людей по всему миру с энтузиазмом его терпят, не подключая к своей голове электроды. А значит, многие согласятся в момент процедуры послужить нейронауке и в будущем — медицине.