В
своей работе исследователи из университета Калифорнии в Беркли, США,
использовали ранее разработанную систему: при помощи тончайших
электродов электрические импульсы в моторной коре головного мозга
улавливались управляющим механическим протезом устройством. Такие
протезы использовались и ранее (более того, некоторые уже проходят
клинические испытания на полностью парализованных людях), но то, что
мозг может приспосабливаться к ним, как и к родным конечностям – стало
открытием.
Станет ли своей рука киборга?
Ученые, изучавшие
связь между мозгом и электронными схемами управления протезами,
пытались понять как именно мозг обучается использовать новый «орган».
Вопрос имеет принципиальное значение для медицинского применения
подобных устройств.
Животное может научиться совершать самые
различные действия своими естественными конечностями, при этом в
процессе обучения в мозгу происходят определенные изменения – нейроны
приспосабливаются работать вместе для тонкой координации движений.
Но
если речь идет о протезе, то где гарантия того, что мозг сможет точно
также встроить ее в сложную программу движений, необходимых для
достижения той или иной цели? Нейробиологи знали, что при помощи
протезов с управлением через вживленные электроды можно научиться
делать что-то новое, но механизм обучения оставался неизвестен. А без
знания механизмов обучения говорить о полноценности замены не
приходилось.
Чтобы узнать то, как мозг адаптируется к вживленной
электронике, ученые анализировали его электрическую активность во время
совершения различных действий на протяжении длительного, до 19 дней,
периода.
Руки учат новые движения
Для проведения опыта,
естественно, никто не отрезал обезьянам собственные руки и не заменял
их на механические протезы – после завершения исследования макак
выпустили обратно в питомник целыми и невредимыми.
Для
проведения эксперимента животным изготовили специальные манипуляторы,
которые надевались на руки, так что согнуть конечность обезьяны могли,
только отдавая команду электронному блоку. У исследователей была
возможность разблокировать устройство, и в этом случае все действия
совершались естественным путем.
Эта возможность использовалась в
самом начале эксперимента, когда животных сажали в кресло и учили
вручную, двигая рычагами, загонять курсор в центр экрана. Активность
мозга при этом записывалась – ученые смотрели то, какие именно клетки
выдают электрические импульсы, необходимые для решения задачи.
Спустя
несколько дней или недель после обучения процедура повторялась. При
этом исследователи обнаружили, что картина импульсов сохраняется.
Нейроны повторили те же сигналы, которые наблюдались сразу после того,
как макаки научились управляться с непривычной для них системой
управления и рычагами.
Обучение протеза
Затем эксперимент с
перемещением курсора повторили, но уже заблокировав возможность двигать
естественными конечностями. Макакам пришлось учиться управляться с
манипуляторами силой мысли – так, как пришлось бы делать
парализованному человеку с подключенным к мозгу протезом.
И эта
задача была успешно решена. Обезьяны снова начали передвигать рычаги –
но уже не мускульной силой, а за счет связи моторной коры с электронной
схемой и механическими устройствами. За активностью нейронов снова
велось наблюдение.
Прошло некоторое время (максимальный интервал
составлял 19 дней), и обезьян снова усадили в экспериментальную
установку. Вживленные электроды подключили к блоку управления, блок
управления к манипуляторам – и макаки снова успешно загнали курсор в
центр экрана. При этом у них активировались те же самые нервные клетки,
что и в первый раз, и в той же самой последовательности.
Таким
образом, при обучении работе с манипулятором сработали те же механизмы,
что и при усвоении новых моторных навыков животным, использующим
собственные руки.
Манипулятор невиданной точности
Ученые,
которые опубликовали результаты своего эксперимента, в журнале PLoS
Biology, считают, что их открытие дает повод для оптимизма: методика
подключения искусственных устройств непосредственно к мозгу сначала
животных, а потом и человека оказалась достаточно жизнеспособной для
дальнейшего развития. В перспективе на основе связки «вживленные
электроды – микрокомпьютер – механическое устройство» можно будет
делать протезы с невиданной на сегодня точностью управления.
