Алфавит для движений рук в человеческом мозге
Согласно новому исследованию, опубликованному в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences учеными из Университета Карнеги-Меллона и Университета Коимбры, человеческий мозг имеет специализированную систему, которая выстраивает эти действия удивительно систематическим образом.
Аналогично тому, как все слова в языке могут быть созданы путем перекомбинации букв его алфавита, полный репертуар действий человеческой руки может быть построен из небольшого числа базовых движений-строительных блоков.
Исследователи использовали компьютерное моделирование данных функциональной МРТ, чтобы продемонстрировать, что область мозга, называемая надкраевой извилиной (СМГ), расположенная в левой нижней теменной доле и уже известная своей ролью в планировании объектно-ориентированных действий, формирует представления о сложных действиях, рекомбинируя ограниченный набор скоординированных паттернов движений пальцев, кистей, запястий и предплечий. Учёные называют эти паттерны движения «кинематическими синергиями».
Например, положение руки при использовании ножниц похоже на положение руки при использовании плоскогубцев, хотя ножницы и плоскогубцы имеют совершенно разные функции.
Напротив, даже если ножницы и нож X-ACTO могут использоваться для одной и той же функции или цели, положение руки при использовании этих двух типов предметов будет существенно разным.
Исследователи обнаружили, что активность в области SMG мозга имела очень похожие представления об объектах, которые также имели очень похожие положения рук.
«Подобно тому, как области мозга, отвечающие за языковую функцию, комбинируют звуки, или фонемы, для формирования слов, мозг также комбинирует кинематические взаимодействия для формирования сложных объектно-ориентированных действий», — сказала Лейла Чаглар, ведущий автор исследования. «Из этого замкнутого набора базовых строительных блоков мозг конструирует полный репертуар действий, которые можно выполнить рукой человека».
В настоящее время Чаглар является постдокторантом Медицинского центра Маунт-Синай. Она руководила этим исследованием, будучи постдокторантом совместно в Университете Карнеги-Меллона и Университете Коимбры (Португалия).
«Эти результаты подтверждают идею о том, что надкраевая извилина функционирует как сборочный центр, объединяя базовые элементы действий в более сложные функциональные последовательности», — пояснил Каглар.
Влияние на робототехнику, интерфейсы «мозг-машина» и дефициты действий, вызванные травмами мозга
Хотя идея о том, что мозг использует комбинаторную структуру двигательной синергии, не нова для данного исследования, новые доказательства, предоставленные данным исследованием, имеют далеко идущие последствия для робототехники и разработки эффективных интерфейсов мозг-компьютер.
«Если мы сможем напрямую сопоставить эти синергии с нейронной активностью , мы сможем создать более эффективные интерфейсы «мозг-машина» , которые позволят пользователям управлять протезами с большей естественностью, точностью и гибкостью», — говорит автор исследования доктор Хорхе Алмейда.
«Это также приближает нас к созданию искусственных систем, способных действовать с гибкостью, эффективностью и интеллектом, сопоставимыми с людьми», — сказал Алмейда.
Это открытие может также предложить новые перспективы в отношении таких расстройств, как апраксия — неврологического состояния, при котором пациенты могут потерять способность правильно использовать предметы, несмотря на то, что они способны распознавать предметы, которые они не могут использовать.
«Точно так же, как дефицит способности правильно собирать звуки языка в слова ухудшает речевую функцию, повреждение этой области мозга может затруднить планирование и выполнение сложных действий с предметами».
Интеграция познания, восприятия и действия
Конечно, когда мы хватаем предметы руками, нам не нужно «думать» о построении действий из их элементарных частей — точно так же, как носителям языка не нужно думать о том, как произнести нужные слова. Процессы, поддерживаемые надкраевой извилиной , всегда автоматически происходят в фоновом режиме, за пределами того, о чём мы думаем в данный момент.
Ключевым аспектом системы, обеспечивающей сложные движения руки, является её расположение в мозге (примерно на дюйм выше и позади левого уха) — стратегически важный элемент, позволяющий получать и интегрировать множество различных типов информации. К ним относятся визуальная, тактильная, двигательная и концептуальная информация об окружающем мире и состоянии тела.
Структура и организация мозга отражают интеграцию жизненного опыта каждого человека с эволюционно обусловленными структурами. Мы не рождаемся со знанием того, как обращаться, например, с ключом или ручкой — конкретный способ использования предметов должен быть освоен и является одним из видов культурного знания.
Несмотря на совершенно разные типы взаимодействия с объектами у разных людей и на различия в ловкости рук у разных людей, у всех людей есть общая нейронная система, которая поддерживает сложные объектно-ориентированные взаимодействия.
Аналогично, по аналогии, хотя человеческие младенцы не рождаются говорящими на каком-либо определенном языке, они способны стать носителями любого языка в мире, и у всех людей есть общая нейронная система, которая поддерживает язык.
«Это исследование приближает нас на шаг к пониманию фундаментальных принципов организации мозга, которые делают возможным использование человеком орудий», — сказал Каглар.