Начать движение!

Ученые исследовали связь перемещений с мозговыми импульсами

В результате различных травм и заболеваний множество людей испытывают проблемы с двигательной активностью. Выходом из ситуации могла бы стать разработка приспособлений, управляемых «силой мысли». Но для этого необходимо понять, какие электрические импульсы в мозгу связаны с теми или иными конкретными движениями. Данную задачу, похоже, удалось решить недавно российским ученым.

Собственно, попытки совершить прорыв в этой области предпринимались и раньше. Сейчас появились ручные нейропротезы, которые дают возможность совершать движения путем поступления на датчики мозговых команд. Но вот идентифицировать объекты, которых касается искусственная рука, они пока не могут.

В 2015 году команда нейрофизиологов и киберинженеров во главе с Ричардом Андерсеном из Калифорнийского технологического института в Пасадене (США) разработала принципиально новый вид ручного протеза. Электронное устройство подключалось к задней теменной коре, ответственной за реализацию намерений, связанных с физическими движениями.

К участию в эксперименте привлекли 34‑летнего Эрика Сорто, который остался полностью парализованным после попадания пули в спинной мозг. Ему вживили в заднюю теменную кору микрочип и комплект из нескольких сот электродов и в течение нескольких недель следили за мозговой активностью в этой зоне.

Например, исследователи просили Эрика мысленно взять в руки какой-нибудь предмет и с помощью МРТ наблюдали за тем, как меняется частота сигналов, подаваемых мозгом через встроенные электроды.

На основе этих наблюдений была создана специальная программа, которая проводила анализ активности задней теменной коры и считывала мысли Сорто. Сначала исследователи попытались научить инвалида с помощью этой системы управлять движением курсора по экрану. На следующем этапе к «командному центру» мозга подключили кибернетическую руку. Результаты оказались достаточно впечатляющими. За прошедшие с начала опыта несколько недель Сорто научился не только двигать кибернетической рукой в любых направлениях, но и заставлять ее выполнять сложные манипуляции, допустим, подносить ко рту бутылку с пивом или пожимать руку другому человеку.

Нынешнее исследование проводилось сотрудниками лаборатории нейронауки и когнитивных технологий Университета Иннополис (г. Казань) в рамках президентской программы Российского научного фонда по поддержке лабораторий мирового уровня. Изначально его авторы предположили, что при движении сигналы, поступающие от клеток моторной коры головного мозга, становятся менее хаотичными и более упорядоченными. Для проверки этой гипотезы исследователи применили метод электроэнцефалографии (ЭЭГ).

Поскольку нейронные импульсы представляют собой электромагнитные волны, они обладают частотой, определяемой количеством колебаний за единицу времени. В зависимости от диапазона выделяют пять основных мозговых ритмов, которые обладают разной частотой и имеют собственный набор свойств.

Альфа-ритм – частота его колебания варьируется от 8 до 13 герц. Регистрируется преимущественно в затылочной и теменной областях, связан со зрительными отделами мозга. Обычно «включается», когда мы закрываем глаза, расслабляемся.

Бета-ритм – частота колебания варьируется от 14 до 40 герц. В нормальном состоянии он слабо выражен. Регистрируется в области передних и центральных извилин, распространяясь на задние центральные и лобные извилины. Бета-волны связаны с высшими когнитивными процессами и фиксацией внимания.

Гамма-ритмы имеют частоту колебаний выше 30 герц, иногда до 100 герц. Регистрируются в прецентральной, фронтальной, височной и теменной областях коры головного мозга. Всплеск гамма-волн наблюдается обычно при решении задач, требующих максимальной сосредоточенности.

Дельта-ритмы еще называют медленными волнами. Их частота составляет от 0,5 до 4 герц. Дельта-волны связаны с восстановительными процессами, например, они наблюдаются во время сна. Дельта-волны возникают при низком уровне активности мозга и усиливаются при неврологических и мозговых нарушениях. При избытке дельта-волн возникает нарушение когнитивных функций, например снижение концентрации внимания.

Тета-ритм – колеблется от 4 до 8 герц. Регистрируется во фронтальных зонах и гиппокампе. Наблюдается в состоянии сонливости. Это состояние еще называют сумеречным, поскольку оно находится на грани сна и бодрствования. Хотя в мозгу в зависимости от уровня активности всегда доминирует один вид электрических ритмов, остальные в нем также присутствуют, но в более слабо выраженной форме.

Специалисты из Казани набрали группу добровольцев из числа сотрудников и студентов университета. Все они считались здоровыми и все были правшами. Их попросили поочередно сжимать то правую, то левую руку. Для обработки данных авторы использовали рекуррентный анализ временных рядов, широко применяемый в исследованиях климата. Поэтому к работе привлекли специалистов в этой сфере из Института геонаук (Потсдам), Университета Гумбольдта (Берлин) и Потсдамского института изучения климатических изменений.

В процессе эксперимента с помощью подсоединенных к голове электродов регистрировалась электрическая активность мозга испытуемых. Как выяснилось, хаотичность импульсов действительно снижалась, когда человек начинал двигать рукой.

Ида ШАХОВСКАЯ