Одним и тем же движением можно управлять с помощью совершенно разных видов деятельности мозга. Какие контуры вступают в действие, зависит от того, насколько хорошо можно заранее спланировать движение и его направление. Ученые доказали это в экспериментах с макаками-резусами. Открытие, опубликованное в «Journal of Neurology», важно для разработки управляемых мозгом протезов для тяжело парализованных пациентов.
Сколько усилий наш мозг может приложить к планированию и подготовке движения, во многом зависит от конкретных обстоятельств. Иногда вы тянетесь к предмету, который находится перед вами на столе - вы можете хорошо подготовить движение. Иногда ты тянешься к нему, когда это неожиданно
падает - то нужно быстро реагировать и нет времени планировать заранее. Ученые во главе с Йорном Рикертом из Центра вычислительной неврологии Бернштейна и Университета Фрайбурга обнаружили, что одинаковые движения могут быть основаны на различной активности нейронов в моторной коре - в зависимости от того, насколько хорошо
Движение планируется.
Эксперимент: изменение цвета делает хват планируемым или нет
Чтобы выяснить, как мозг контролирует хорошо спланированные движения, ученые проанализировали активность мозга макак-резусов. Данные для этого были собраны в Национальном центре научных исследований в Марселе. Животные сидели перед экраном с шестью кнопками, расположенными по кругу, из которых их просили прикоснуться к определенной. В одном из вариантов эксперимента обезьяне дали четкое указание, какую из кнопок нажать за секунду до того, как она начала хвататься, - она загорелась зеленым цветом. Затем изменение цвета на красный было сигналом для животного, чтобы дотянуться до него.
В других вариантах эксперимента изначально указывалось лишь примерное направление движения - две-три соседние кнопки загорались зеленым цветом. Однако через секунду только одна из кнопок стала красной, и обезьяне пришлось тянуться к ней. Эта процедура оставила животное на секунду в относительной неуверенности в том, что именно делать. Активность отдельных нейронов моторной коры обезьяны измерялась на протяжении всего эксперимента.
Точная нейронная подготовка, только если цель известна
Используя количественно-статистические методы, ученые исследовали, насколько точно можно определить направление движения на разных этапах процедуры тестирования по измеренной активности нервных клеток. Они обнаружили, что нейронное кодирование движения сильно зависит от количества доступной информации. Если цель движения точно известна заранее, мозг точно подготавливает движение. Направление движения
В этом случаеможно считать по активности нейронов еще до начала движения - на этапе планирования.
Если вы точно не знаете, какова ваша цель, то, конечно, вы не сможете ее хорошо спланировать. Тогда нейроны работают более точно во время выполнения движения. «Моторная кора планирует движения как можно раньше - как только становится доступной необходимая информация», - объясняет результат Риккерт. Неопределенность планирования позже компенсируется тем, что нейроны точнее рассчитывают во время движения.
Важно для управляемых разумом протезов
Результаты ученых из Фрайбурга используются, в том числе, при разработке «мозгово-компьютерных интерфейсов» (ИМК). С помощью BCI информацию о движении можно считывать из мозга, чтобы сильно парализованные пациенты могли использовать свои мысли для управления протезами. «Однако наши и другие результаты показывают, что нет четкой связи между активностью нейронов и движением», - объясняет Риккерт.
Не только планирование безопасности, но и внимание или мотивация могут иметь сильное влияние на кодирование движения. «Такие факторы необходимо учитывать при расшифровке движений мозга и применении их к интерфейсам мозг-компьютер», - говорит Риккерт.