Исследование с помощью интерфейса «мозг — компьютер»
Институт психологии РАН
Исследование с помощью интерфейса «мозг — компьютер» заставляет усомниться в существующей концепции «зеркальных нейронов».
Полученные результаты могут быть полезны при разработке новых вспомогательных устройств, управляемых мозгом, для восстановления функций у пациентов, страдающих параличом.
Ученым уже много лет известно, что нейронная активность в моторной коре головного мозга возникает не только тогда, когда человек совершает какое-либо действие. Нейроны, связанные с действиями — например, с протягиванием руки, чтобы схватить предмет, — также активируются, когда человек наблюдает за тем, как кто-то другой совершает действие. Эта наблюдательная активность, лежащая в основе концепции «зеркальных нейронов», может играть роль в том, как люди и другие приматы учатся выполнять задачи связанные с выполнением действий.
Теперь нейробиологи получили новые данные о том, как работает эта наблюдательная двигательная активность. В ходе исследования, в котором фиксировалась активность отдельных нейронов, исследовательская группа обнаружила, что наблюдательная активность связана с тем, насколько человекоподобной кажется рука, выполняющая действие.
Действия, выполняемые реалистично выглядящими руками, вызывали самую сильную наблюдательную реакцию, в то время как роботизированные руки или более абстрактные изображения вызывали пропорционально более слабую реакцию.
Результаты исследования, опубликованные в Proceedings of the National Academy of Sciences, позволяют предположить, что наблюдаемая нейронная активность — это не работа специализированных зеркальных нейронов, которые активируются при наблюдении за действиями человека, а скорее совокупность нейронных сетей, которые по-разному реагируют на различные стимулы.
Опубликована научная статья:
«Активность моторной коры головного мозга человека, связанная с наблюдением, возрастает с увеличением антропоморфности эффектора».
Jacob T. Gusman et al, Observation-related activity in the human motor cortex increases with effector anthropomorphicity, Proceedings of the National Academy of Sciences (2026).
DOI: 10. 1073/ pnas. 2537457123
Jacob T. Gusman et al, Observation-related activity in the human motor cortex increases with effector anthropomorphicity, Proceedings of the National Academy of Sciences (2026).
DOI: 10. 1073/ pnas. 2537457123
Полученные результаты могут быть полезны при разработке новых вспомогательных устройств, управляемых мозгом, для восстановления функций у людей, страдающих параличом.
Работу, являющуюся частью клинических испытаний BrainGate, выполнили нейробиологи из Университета Брауна, Массачусетского центра нейротехнологий и восстановления нервной системы и Центра нейрореабилитации и нейротехнологий при Департаменте по делам ветеранов США. Цель исследования BrainGate — разработать внутримозговые интерфейсы «мозг — компьютер» (BCI), для восстановления функций у людей, потерявших способность двигаться или общаться из-за болезни или травмы.
«Основная цель этой работы — выяснить, как визуальная обратная связь может повлиять на способность людей использовать интерфейсы «мозг — компьютер» для управления различными типами внешних устройств, таких как компьютерные курсоры или роботы-помощники», — сказал Джейкоб Гасман, ведущий автор исследования, который работал над ним, будучи аспирантом Брауновского университета. «Мы также получили фундаментальные знания по базовым нейробиологическим вопросам, связанным с идеей зеркальных нейронов».
В рамках исследования ученые работали с двумя людьми, страдающими тетраплегией — потерей подвижности всех четырех конечностей. В рамках клинического испытания BrainGate обоим участникам в моторную кору головного мозга были хирургическим путем имплантированы крошечные электродные матрицы. Матрицы регистрировали активность отдельных нейронов, когда люди представляют, как выполняют движения конечностями.
Эти сигналы мозга можно использовать для управления внешними вспомогательными устройствами, что позволяет людям управлять роботизированными руками, компьютерами и другими техническими устройствами, просто думая о движении собственных конечностей.
Исследование включало в себя несколько этапов, на которых изучалась реакция моторной коры на наблюдаемые движения. На одном из этапов участники смотрели анимационные [мультипликационные] ролики, в которых показывали как
конечности похожие на руки, выполняли простые задачи, такие как захват двумя пальцами или силовой захват кулаком. Эти конечности в роликах различались по степени сходства с человеческой рукой.
[см. иллюстрацию прикрепленную к посту].
конечности похожие на руки, выполняли простые задачи, такие как захват двумя пальцами или силовой захват кулаком. Эти конечности в роликах различались по степени сходства с человеческой рукой.
[см. иллюстрацию прикрепленную к посту].
В анимационном ролике были представлены человеческая рука, антропоморфная рука робота, трехпалая рука робота [непохожая на человеческую руку] и куб, который был включен в эксперимент как явно нечеловеческий объект. Интерфейс «мозг-компьютер» регистрировал нейронную активность участников во время просмотра каждого из анимационных роликов.
Эксперимент показал, что наблюдаемая нейронная активность была наиболее сильной при просмотре видеокадров с конечностью, максимально похожей на человеческую, и постепенно снижалась по мере того, как наблюдаемые конечности становились менее человекоподобными. Эта закономерность сохранялась как на сетевом уровне — чем больше конечности были похожи на человеческие, тем больше нейронов активировалось, — так и на уровне отдельных нейронов, где частота их активации была выше при использовании более человекоподобных изображений.
«Это говорит о том, что наблюдательная активность не обусловлена работой специализированных «зеркальных нейронов», — сказал Гасман. — На самом деле это сетевой эффект, который зависит от того, насколько антропоморфны наблюдаемые стимулы».
Однако результаты стали более неоднозначными, когда участников попросили попытаться сжать предмет, наблюдая за конечностями на видео. В этих условиях все наблюдаемые конечности вызывали одинаковый уровень нейронной активности, независимо от того, насколько они были похожи на человеческие руки.
По словам исследователей, это открытие говорит о том, что, когда человек активно пытается совершить какое-либо действие — то сигналы, связанные с движением, в моторной коре головного мозга значительно преобладают над сигналами, связанными с наблюдением. Это указывает на то, что сходство конечности с человеческой может иметь меньшее значение, когда человек пытается её контролировать.
Результаты, полученные в ходе экспериментов с эффекторами, в целом подтвердились во второй серии исследований с использованием точечных анимаций, изображающих человеческие руки. Высокодетализированные точечные узоры, которые легко можно было принять за руки, вызывали более сильную реакцию наблюдателей, чем более схематичные и аморфные изображения.
Однако эксперименты с точечными узорами также выявили потенциальный когнитивный аспект наблюдательной нейронной активности.
Однако эксперименты с точечными узорами также выявили потенциальный когнитивный аспект наблюдательной нейронной активности.
Во время этапа исследования с просмотром анимации с точечным узором один из участников сначала принял более абстрактную анимацию за изображение человеческой руки, а когда ему сказали, что это и есть рука, сказал: «О, я понял».
Этот момент озарения позволил исследователям сравнить нейронную активность до и после того, как участник эксперимента осознал, что более абстрактные анимации изображают человеческие руки. Учёные обнаружили, что после этого момента нейронная активность усиливалась независимо от того, насколько изображение напоминало человеческую руку, что позволяет предположить, что когнитивный контекст может влиять на нейронную активность при наблюдении.
«По крайней мере, у этого участника эксперимента осознание того, что стимул в виде точечного узора напоминает человеческую руку, привело к тому, что эта область его моторной коры начала реагировать, пока он наблюдал за стимулом, — сказал Гасман. — По крайней мере, это открытие говорит о том, что в формировании зеркальной реакции могут участвовать не только визуальные сигналы, поступающие снизу вверх, но и контекстуальные сигналы, поступающие сверху вниз».
По словам исследователей, их работа не только дает рекомендации по разработке вспомогательных устройств, управляемых мозгом, но и позволяет получить беспрецедентное представление о том, как мозг обрабатывает наблюдаемые действия.
«Конечная цель клинических испытаний BrainGate — помочь людям, которые утратили способность двигаться или общаться после травмы или болезни», — сказал соавтор исследования Ли Хохберг, профессор инженерии и нейробиологии в Университете Брауна, который руководит клиническими испытаниями BrainGate.
Он сказал:
«Попутно мы делаем важные открытия о том, как мозг планирует и выполняет движения тела, и эта работа — пример фундаментальных нейробиологических исследований, которые стали возможны только благодаря участию наших доблестных участников клинических испытаний. Эти открытия помогут в разработке имплантируемых интерфейсов «мозг — компьютер» следующего поколения для людей переживших травму нервной системы».
«Попутно мы делаем важные открытия о том, как мозг планирует и выполняет движения тела, и эта работа — пример фундаментальных нейробиологических исследований, которые стали возможны только благодаря участию наших доблестных участников клинических испытаний. Эти открытия помогут в разработке имплантируемых интерфейсов «мозг — компьютер» следующего поколения для людей переживших травму нервной системы».
