Живой мозг. Удивительные факты о нейропластичности и возможностях мозга - Дэвид Иглмен

недостатка следует замкнуть петлю обратной связи. Этого можно достигнуть переключением паттернов активности в соматосенсорную кору. Когда роборука прикасается к предмету, в соматосенсорные области направляется паттерн, эквивалентный прикосновению к кончикам пальцев, и тогда у человека возникает ощущение, что он прикасается к поверхности с конкретной текстурой. Прикосновение к другим предметам позволит ощутить уже другую текстуру. Таким образом человек получает ощущение сенсорного взаимодействия с миром. Его мозг благодаря своей гибкости со временем научится преобразовывать эту схему в полное восприятие роботизированной руки как собственной. Мозг успешнее всего обучается двигать телом при замкнутой петле обратной связи — не только за счет посылаемых сигналов, но и за счет принимаемых, которые подтверждают, что взаимодействие с миром происходит. Например, когда младенец бьет ручкой по деревянным планкам кроватки, он осязает их, видит и слышит звук удара.

Поскольку обучение мозга в основном происходит в таком цикле, неудивительно, что моторная и сенсорная карты, как правило, изменяются параллельно. Например, когда условия эксперимента принуждают обезьян пододвигать к себе лакомство с помощью лопатки (длины руки для этого недостаточно), обе карты в их мозге слегка перестраиваются, чтобы растянуть представительство руки на длину инструмента. Лопатка в буквальном смысле становится частью их тела (рис. 5.11)15. Моторная и сенсорная системы не являются независимыми, напротив, они соединены в непрерывном цикле обратной связи.

Рис. 5.11. Когда обезьяна использует лопатку, чтобы пододвинуть к себе предмет, до которого не может дотянуться, представительство тела в ее мозге видоизменяется, чтобы отобразить всю длину лопатки. Овалом показана область на карте тела, где под воздействием электродов возникает возбуждение нейронов

Печатается с разрешения автора

* * *

Как мы видим, применение интерфейсов «мозг — компьютер» позволяет восстановить или заменить поврежденную конечность. Можно ли применить такую же технологию для создания дополнительной конечности?

В 2008 году самец обезьяны с двумя нормальными здоровыми руками силой мысли управлял действиями третьей, металлической руки. Имплантированная в его мозг миниатюрная плата с электродами позволяла ему двигать роботизированной рукой, чтобы хватать и отправлять в рот маршмеллоу16. Первоначально обезьяну тренировали выполнять нужное действие перемещением курсора на экране в сторону цели и каждую удавшуюся попытку поощряли лакомством. Сначала самец выполнял действие собственными руками. А потом случилось нечто весьма примечательное: в конце концов он перестал действовать рукой, а курсор продолжал двигаться сам собой. Мозг животного перемонтировал нейронную сеть, чтобы разделить эти две задачи: часть нейронов продолжала соответствовать его настоящим рукам, а другую часть мозг откомандировал курсору на экране. В конце концов сигналы мозга приспособились управлять роборукой и захватывать ею маршмеллоу, причем безо всяких физических движений настоящими живыми конечностями. Механическая рука стала еще одной конечностью (рис. 5.12).

Рис. 5.12. Обезьяна посредством мозговой активности руководит действием роботизированной руки и отправляет в рот маршмеллоу

Andrew B. Schwartz

Следует ли удивляться, что люди и обезьяны способны сообразить, как силой мысли управлять роботизированной рукой? Нет, не следует: за этим стоит тот же процесс, посредством которого ваш мозг в младенчестве учился управлять вашими «родными» конечностями из костей и плоти. Как мы уже видели, процесс состоял в том, чтобы вы хаотично двигали ручками-ножками, раскидывали их в стороны, пробовали кусать пальчики ног, хватались за планки кроватки, глазели по сторонам, переворачивались и поворачивались — годами! И все это ради того, чтобы тонко отрегулировать управление телом. Мозг рассылал ему команды, сопоставлял их с получаемой от мира обратной связью и наконец усвоил, каковы возможности ваших конечностей. Ваша обтянутая кожей рука ничем не отличается в этом смысле от громоздкой серебристой роборуки, позволявшей обезьяне добывать себе маршмеллоу. По большому счету рука — это обычное эксплуатационное оборудование, и вы настолько к нему привычны, что даже не осознаёте всего его великолепия.

Мы предоставляем ученым возможность ломать голову, как сконструировать качественную роботизированную руку, однако обучение манипулировать ею мы почти целиком отдаем на откуп мозгу пользователя. А поскольку мы воспитывались без привычки к металлическим конечностям, нам не удастся интуитивно двигать таящей большую силу механической железкой. Нашему мозгу еще надо научиться управлять новообретенной рукой, как это сделала Джен. Так что пускай инженеры делают свою половину работы, а над второй все равно придется потрудиться нейронным зарослям в мозге пользователя.

Не правда ли, способ, каким обезьяна выучилась использовать роботизированную руку независимо от своих «родных» конечностей, вызывает в памяти образ дока Ока и то, как он орудовал своими робоконечностями, даже когда настоящие руки занимались вполне прозаическими делами (скажем, разливали по мензуркам химикаты или управляли машиной при бегстве). Мозг обезьяны со временем выделил для роборуки часть кортикальной территории, отдельную от той, которая отвечает за работу естественных конечностей. Лабораторная обезьяна сумела разделить ресурсы и распределить их между конечностями разного типа — собственными из плоти и крови и искусственной металлической.

* * *

И у Джен, и у обезьян в экспериментах с маршмеллоу робоконечность подсоединялась не непосредственно к туловищу, а через пучок кабелей. Если бы нам удалось перейти на беспроводной формат, роборуке вовсе не обязательно было бы находиться в одном с нами помещении. Возможно ли управлять роботом, который обитает на другом краю планеты? Еще как возможно! Более того, такое уже известно.

Несколько лет назад в Университете Дьюка нейробиолог Мигель Николелис с группой коллег имплантировали электроды в мозг макаки-резуса (это опять был самец), которая в реальном времени руководила походкой робота, находившегося в другой части света. Обезьяна ходила по беговому тренажеру, а сигналы с ее моторной коры записывались, кодировались в двоичный код и передавались через интернет-лаборатории в Японии, где их транслировали роботу. И полутораметровый робот весом 90 кг перемещался по лаборатории, в точности повторяя манеру ходьбы макаки, словно был ее металлическим двойником.

Как исследователи добились этого? Демонстрации предшествовали обучение макаки ходьбе на тренажере и интенсивные тренировки. Ученые записывали сигналы с датчиков, помещенных на лапы обезьяны, чтобы определить, как работают при ходьбе ее мышцы, а также фиксировали сигналы сотен нейронных клеток, чтобы понять, как их активность преобразуется в конкретные мышечные сокращения. Затем изменяли скорость ленты на тренажере и определяли корреляцию мозговой активности обезьяны с темпом ее ходьбы и длиной цикла шага.

Хотя ни один отдельный нейрон не мог дать исследователям полной информации, ученые заключили, что между нейронами в разных областях мозга существуют определенные временные взаимосвязи, и это позволило начать расшифровку закодированного в мозговых импульсах сложного взаимодействия групп мышц, заложенного в основе обманчиво сложного акта ходьбы17.

После основательной подготовительной работы ученые смогли приступить