15 октября 2008 г.

Пара свежих статей по нейрофизиологии


В Nature (точнее, advanced online publications) появились сегодня две занятные статьи по нейрофизиологии -- про управление "парализованными" конечностями через сигналы, снимаемые непосредственно с головного мозга, и про то, как у нейронов вырабатывается "чувство времени".

Первая статья: C.T. Moritz, S.I. Perlmutter, E.E. Fetz, Direct control of paralysed muscles by cortical neurons.

В ней рассказывается о таком эксперименте. Макаке с помощью локальной анастезии блокировали нервы, управляющие рукой. В голову ей вживили электроды, которые регистрировали активность моторной области коры головного мозга и превращали их в электрические импульсы, стимулирующие мышцы руки и заставляющие ее крутиться. В результате этого макака научалась управлять собственной "парализованной" рукой непосредственно сигналами из головного мозга. Причем она могла при необходимости усиливать активность импульсов, увеличивая вращающий момент руки, причем в обе стороны, или наоборот, ослаблять, держа руку неподвижной.

Меня тут очень впечатляет то, как мозг, получив в распоряжение новую, не встречающуюся в природе способность к управлению, сам обучается правильным скоординированным и достаточно сложным действиям.

В принципе, подобные эксперименты по передаче импульсов головного мозга через электрические цепи проводились и раньше, но до сих пор всё ограничивалось только перемещением курсора или роботизированной руки. См. например подробную заметку Обезьян научили управлять искусственной рукой при помощи мозговых импульсов. Сейчас же впервые обезьяна смогла вращать собственной "парализованной" рукой.

Огромные перспективы для возвращения к нормальной жизни парализованных больных (особенно с травмами позвоночника) очевидны.

Вторая статья: Germán Sumbre et al, Entrained rhythmic activities of neuronal ensembles as perceptual memory of time interval.

В ней рассказывается, как у личинки рыбки данио после тренировки периодическими визуальными стимулами стала спонтанно возникать нейронная активность через регулярные промежутки времени (порядка десятков секунд). У личинки развилась кратковременная память длительности промежутков времени, т.е. можно сказать, у нее появилось "ощущение времени".

Важно здесь то, что промежуток времени достаточно длительный. Периодичность в микросекунды-миллисекунды нейронные сети запоминают хорошо, потому что это вполне характерное для них время активации и успокоения. А вот как происходит запоминание периода 20 секунд, до сих пор понятно плохо. И вот сейчас обнаружены по крайней мере некоторые отделы мозга, которые могут служить "метрономом" в этом диапазоне периодов.

8 комментариев:

  1. "Меня тут очень впечатляет то, как мозг, получив в распоряжение новую, не встречающуюся в природе способность к управлению, сам обучается правильным скоординированным и достаточно сложным действиям."

    А что Вас тут смущает? Я абсолютно не знаток биологии, но интуиция подсказывает мне что существует механизм обратной связи и скажем сократив одну мышщу руки мозг автоматически понимает что произошло с остальными. Очевидно характер этих изменений совпадает с характером сигналов от левой руки которая не парализована. Вот. Тем самым я хотел бы поставить под сомнение Ваши слова "абсолютно новую не встречающуюся в природе". Правильнее, вероятно было бы сказать, что это подобно управлению тремя руками при одной парализованной. Что тоже не удивительно.

    Александр.

    ОтветитьУдалить
  2. Игорь, Вы не могли бы пояснить, как именно происходит вживление электродов в мозг? Точнее сказать куда? Кажется это довольно интересный вопрос.
    Каков размер этих электродов?

    Александр.

    ОтветитьУдалить
  3. Когда-то я встречал такие эксперименты, но без вживления электродов, а с помощью ЯМР томографии. Было очень забавно, однако ЯМР установку с собой тоскать ...

    ОтветитьУдалить
  4. Александру.
    Меня не то, чтобы смущает, а впечатляет.

    Вот смотрите: в мозгу есть некие нейроны, которые "знают", как посылать сигналы в спинной мозг, чтобы он передался руке. Отлично. Но мы же не знаем точно, какие это нейроны. Мы прикладываем электроды к коре головного мозга, примерно к той области, которая управляет движением, и затем как-то интерпретируем сигналы (точнее, это делает электрическая цепь). Т.е. получится, что рукой уже будут управлять какие-то другие нейроны, которые раньше вообще непонятно чем занимались! :)

    Как происходит вживление, я не читал, надо в оригинал лезть. Кое-какие подробности см. в статье Маркова про управление искусственной рукой.

    ОтветитьУдалить
  5. Прекрасная иллюстрация того, что человеческий мозг кардинально не похож на БИС с регистрами ввода-вывода - любой кусок может как принимать, так и передавать сигналы, причем самостоятельно настраиваться куда какой сигнал передавать, и откуда какой принимать.

    Помню, меня очень впечатлял древний эксперимент, когда у птицы разрезались и менялись местами нервы маховых мышц-сгибателей и мышц-разгибателей. В результате птица всего на несколько минут оказывалась дезориентирована, а потом привыкала (очевидно, нейронная сеть перестраивалась таким образом, что сгибатели и разгибатели менялись местами) и летала точно так же, как раньше.

    ОтветитьУдалить
  6. Анонимный17/10/08 18:13

    1. Судя по заметкам на элементах последнее время очень в моде технологии считывания мозговой активности без вживления (через шапочку). Курсором получается двигать даже если датчики за пределом черепа. Было бы здорово получить такую шапочку + клеммы на кожу, так чтобы вживлять не надо было бы: одел, и пациент идёт бегать на своих родных ногах. Ну или хотя бы получить технологию, так чтобы не надо было бы буравить череп, а лишь внедрить пучок проводов под кожу.
    2. Сигналы ведь идут не только от мозга, но и в мозг, верно? Так что это пол дела. Для полноценной жизни надо вернуть чувствительность к обездвиженным частям тела, так чтобы было осязание, ощущение температуры и т.п. А это пожалуй посложнее будет.

    ОтветитьУдалить
  7. Шапочки с электродами, даже если они и работают, по-моему, всё равно не выйдут на нужный уровень чувствительности и "разрешения". Ведь в описанных тут опытах был не один и не два электрода, а несколько десятков электродов, и причем на маленькую область мозга.

    Насчет сигналов в мозг -- это, мне кажется, будет намного сложнее, просто потому что "моторные" сигналы должны быть гораздо проще, чем "осязательные". Но лучше пусть биологи прокомментируют.

    А насчет чувствительности -- так у многих парализованных она сохраняется, поражаются только нервы, управляющие моторикой.

    ОтветитьУдалить
  8. Анонимный14/7/09 02:23

    А вот как определяется, какой из миллиардов мозгов есть "Я"? Если мозг-"Я" подключится к другому мозгу, они станут единым интеллектом, а потом снова отключатся, то кто из них окажется "Я"? Физика долго напрягалась, чтобы описать движение указателя на "моё" время, а про движение указателя на "мой" мозг она что-то помалкивает...

    ОтветитьУдалить