Человеческий мозг "пластик": он может адаптироваться и перестраиваться, часто легче при изучении новых вещей, связанных со знакомыми навыками. Например, профессиональному теннисисту, наверное, легче научиться играть в бадминтон, чем в футбол.
Стремясь обнаружить основные ограничения пластичности мозга, новое исследование Калифорнийского технологического института обнаружило, что обучение действительно легче, когда оно связано с уже имеющимися навыками, потому что уже существующая нейронная структура ограничивает то, что можно изучить. Другими словами, вполне вероятно, что навыки, которые мы уже развили, ограничивают то, что мы можем легко изучить за короткое время.
"Мы хотим понять, как люди учатся и где в мозгу происходит это обучение. Хотя это все еще фундаментальная наука, это исследование однажды может потенциально помочь людям, перенесшим инсульт или другую травму головного мозга, в процессе их реабилитации," говорит Ричард Андерсен, Джеймс Джи. Босуэлл, профессор нейробиологии, Т&Чен Чен, руководитель центра взаимодействия мозга и машины, и директор T&C Центр взаимодействия мозга и машины Института нейробиологии имени Тяньцяо и Крисси Чен в Калифорнийском технологическом институте. Исследование проводилось в лаборатории Андерсена в сотрудничестве с UCLA, больницей Casa Colina и центрами здравоохранения в Помоне, Калифорния.
Исследование было сосредоточено на области мозга, называемой передней интрапариетальной корой, или AIP. Этот регион определяет намерения человека, в частности, намерение переехать. Например, когда вы протягиваете руку, чтобы взять объект, ваш AIP сначала кодирует ваше намерение двигаться, а затем отправляет сигналы в области мозга, которые контролируют движения мышц, сухожилий и т. Д.
Под руководством постдокторанта Калифорнийского технологического института Софии Сакеллариди и научного исследователя Вассилиоса Кристопулоса исследователи стали сотрудничать со взрослой женщиной с тетраплегией, которой хирургическим путем имплантировали крошечные электроды в ее AIP для управления системой интерфейса мозг-машина (ИМТ). ИМТ измеряет нейронную активность в регионе и может быть запрограммирован на преобразование этой активности в инструкции для протезного устройства (например, компьютера). Таким образом, участник исследования может управлять курсором на экране компьютера, просто думая о его перемещении.
В экспериментах участнику предъявляли экран компьютера с курсором. Когда загоралась определенная область на экране, ее просили подумать о перемещении парализованного правого запястья, как если бы она физически перемещала курсор из его начальной позиции в выделенную позицию. ИМТ считал ее нейронное намерение двигаться и соответственно перемещал курсор.
Нейроны в AIP участника активировались по разному шаблону в зависимости от того, что она намеревалась сделать. Например, некоторые нейроны срабатывают для намеченных движений вверх, а другие – для преднамеренных движений вниз. Говорят, что первые "настроен на" и последний "настроен на спад." Изначально ИМТ был откалиброван для перемещения курсора точно так, как задумал участник. Например, если бы она подумала о перемещении курсора вниз, нейроны, настроенные вниз, увеличили бы свою активность, чтобы преобразовать мысль в это движение курсора.
Затем исследователи изменили соответствие между нейронной активностью и движением курсора – например, если участник думал о перемещении своего запястья вниз, курсор двигался бы вверх. Для некоторых новых отображений участник смог приспособиться к возмущению. В этих случаях исследователи хотели знать, как произошла корректировка. Научились ли отдельные нейроны, контролирующие ИМТ, изменять свою настройку вверх и вниз?? Или участник научился думать о движении вверх, когда получил указание двигаться вниз?
Последнее является примером обучения использованию новой когнитивной стратегии. Кристопулос объясняет, что многие пользователи компьютеров имели опыт использования аналогичных адаптивных когнитивных стратегий: "На коврике для мыши Apple пользователь должен двигать пальцами вверх для прокрутки вниз. На мышке Windows направление противоположное. «Навык» движения рукой в обоих случаях одинаков, но человек должен адаптироваться к разным картам."
Исследователи обнаружили, что участница иногда могла адаптироваться к отклонениям в движении курсора, изменяя свою когнитивную стратегию. Например, она сказала бы, что перенаправила движение курсора в уме, чтобы выполнить задачу. Тем не менее, участнице не всегда удавалось разрешить возмущение картирования, принимая новую когнитивную стратегию, и в этих случаях, как обнаружили исследователи, ее мозг не генерировал совершенно новые паттерны нейронной активности. Другими словами, ее способность к адаптации – в частности, ее способность перенаправлять курсор в определенные места в пространстве – была ограничена настройкой определенного набора нейронов, записываемых из. Это говорит о том, что степень, в которой человек может овладеть новым навыком, ограничена ранее существовавшей нейронной связью.
"Это может быть не всегда," говорит Сакеллариди, "Поскольку эксперименты проводились в одночасовых блоках – что представляет собой краткосрочное обучение – вполне вероятно, что AIP потребуется больше времени на обучение для создания новых моделей деятельности, например, для изучения новых двигательных навыков. В целом, наши результаты показывают, что некоторым типам обучения требуется гораздо больше времени, чтобы изменить мозг."
Затем ученые планируют изучить различные области мозга, работая с людьми, которым имплантированы электроды в области, отличные от AIP.
Документ с описанием исследования под названием "Внутреннее обучение переменных для управления интерфейсом мозг-машина с помощью передней интрапариетальной коры головного мозга человека," появилась в сети 7 марта в журнале Neuron.