Небольшой участок нейронов в мозге может кодировать движения многих частей тела, по словам исследователей из лаборатории Ричарда Андерсена из Калифорнийского технологического института, Джеймса Дж. Босуэлл, профессор нейробиологии, руководитель центра взаимодействия мозга и машины Тяньцяо и Крисси Чен, а также директор Tianqiao&C Центр взаимодействия мозга и машины Института нейробиологии имени Тяньцяо и Крисси Чен в Калифорнийском технологическом институте. Понимание этого нейронного кода может помочь улучшить жизнь людей с параличом или с двигательными нарушениями из-за неврологических заболеваний, таких как инсульт.
Результаты опубликованы в статье, опубликованной в журнале Neuron от 20 июля.
Моторная кора, область мозга, которая управляет движением, находится в конце сенсорно-моторного пути и контролирует мышцы тела. Раньше на этом пути находится задняя теменная кора (PPC), когнитивная область высокого уровня, которая кодирует намерение двигаться. Например, когда человек намеревается выпить из стакана воды, сигнал об этом намерении в PPC передается в моторную кору, которая посылает сигналы по спинному мозгу и соответствующим конечностям. В 2015 году Андерсен и его сотрудники успешно имплантировали крошечные протезы в ППК парализованным пациентам; эти так называемые нейропротезы измеряют двигательные намерения пациента – например, взять чашку, чтобы выпить – и точно выполняют эти движения с помощью роботизированной руки.
В текущей работе исследователи стремились выяснить, как PPC кодирует и организует нейронную информацию о других движениях тела, таких как захват чашки левой или правой рукой или воображение или попытка определенных движений тела.
Для этого исследователи имплантировали чип размером четыре на четыре миллиметра, состоящий из 96 электродов, в подразделение PPC, называемое передней интрапариетальной областью (AIP), чтобы измерить нервную активность человека с тетраплегией, который вызвался принять участие в исследовании. клиническое испытание интерфейса мозг-машина. Традиционно считалось, что AIP специализируется на захвате предметов. Однако исследователи обнаружили, что код AIP предназначен не только для понимания.
"Мы обнаружили, что разные нейроны в AIP действительно были избирательными для разных захватов, но мы также обнаружили активацию движений плеч или рук, воображаемых или предпринятых, и для любой стороны тела," Андерсен говорит. "Фактически, часть клеток даже была настроена на речевые движения. Было поистине удивительно найти столько информации, содержащейся в такой небольшой популяции нейронов."
"Этот компактный код стал возможным благодаря так называемому смешанному кодированию," говорит со-ведущий автор Тайсон Афлало, старший научный сотрудник Калифорнийского технологического института и исполнительный директор T&C Центр интерфейса мозг-машина. "При смешанном кодировании отдельные нейроны будут реагировать на разнообразную смесь действий или переменных. Например, один нейрон может реагировать на воображаемое движение левой руки и правого плеча. Одним из достижений нашего исследования является то, что мы обнаружили, что смешанные коды могут быть сильно структурированными."
Предыдущие описания смешанного кодирования предполагали, что переменные были случайным образом перемешаны между нейронами. Однако команда Андерсена обнаружила, что существует хорошо структурированная организация смешения переменных, которая определяется перемещаемой частью тела или эффектором.
"Эффекторы кодируются в нейронной популяции в значительной степени независимым образом – свойство, которое мы называем функциональной сегрегацией," – говорит аспирант Калифорнийского технологического института и соавтор книги Кэри Чжан. "Сторона тела и когнитивная стратегия – независимо от того, пытался ли субъект или только воображаемое движение – организованы (сильно коррелированы) в рамках эффекторных репрезентаций. Например, если нейрон реагирует на попытку активации движения правой рукой, он также с большей вероятностью отреагирует на попытку движения левой рукой."
"Функциональная сегрегация эффекторов может обеспечить более эффективные нейронные вычисления и обучение," говорит Андерсен. "Например, поскольку динамика руки одинакова для левой и правой руки, обучение одной рукой должно быть легко перенесено на другую."
По словам Чжана, благодаря функциональной сегрегации обучение новому жесту руки влияет только на руку и не вызывает ложных движений плеча, например.
По мнению исследователей, эта область PPC, вероятно, все еще в первую очередь ориентирована на обработку захвата. Тем не менее, PPC связан со многими другими областями – это так называемая ассоциативная корковая область – и, таким образом, множество сигналов тела может отражать координацию нескольких областей коры. По словам Андерсена, это дает преимущество с точки зрения нейронного протезирования, поскольку небольшой отбор проб имплантата из небольшого количества нейронов может предоставить информацию для многих типов предполагаемых движений.
Перекрытие когнитивных стратегий воображаемого и предполагаемого движения имеет важные последствия. "Спортсмены, такие как гимнасты, часто представляют последовательность движений и используют их для тренировок," Афлало говорит. "Мы обнаружили, что это воображение на самом деле активирует те же нейронные цепи, которые управляют самим движением, хотя и не полностью идентичным образом, поэтому мы все же можем отличить их друг от друга."
"Есть надежда, что это понимание нейронного кода в ППК может быть применено не только к параличу, но и к другим видам моторного дефицита, вызванным неврологическими заболеваниями, например, затрудненным движением после инсульта," говорит Андерсен. "Это наша основная задача – улучшить жизнь людей с черепно-мозговой травмой, инсультами, периферическими невропатиями и другими паралитическими заболеваниями."
Статья называется "Частично смешанная селективность в задней теменной ассоциативной коре головного мозга человека."