Появились новые данные о том, как мозг выделяет определенную часть информации из
общего потока, что позволяет нам, например, улавливать слабый аромат, вычислять
человека в толпе или различать звуки определенных инструментов в оркестре.
Необычное исследование показало, как мозг высокоразвитых животных и,
возможно, людей объединяет сенсорную информацию и сигналы двигательного
контроля. Результаты исследования могут найти применение при создании
нейропротезов - интегрированных микросистем, которые, возможно, помогут больным,
"приговоренным" к инвалидной коляске.
В последнее время активизируются работы по объединению живого и
искусственного в единую систему. Дальние перспективы у этих работ весьма
интересные, граничащие с фантастикой - создание биосенсоров, нейропротезов и
нейроЭВМ, а позже, возможно, и изготовление биороботов. А уже в обозримом
будущем можно ожидать, что с помощью данных технологий будет применен совершенно
новый способ создания медицинских устройств. Эти разработки помогут в лечении
глухоты, эпилепсии и болезни Паркинсона, а также значительно облегчат жизнь
обездвиженным пациентам, страдающим от паралича или травмы позвоночника.
Ранее сообщалось, что немецкие ученые Петер Фромхерц и Гюнтер Зек, поместив
нервные клетки улитки в кремниевую микросхему, создали единую электрическую
цепь. В этой гибридной нейроэлектронной схеме электроимпульсы микропроцессора
проходили по цепи клеток от одной к другой и возвращались обратно. А недавно был
большой шум по поводу смелого эксперимента британского профессора Кевина Уорвика
- подключившего электронный чип к серединному нерву на левой руке. На основе
нейроэлектронных схем предполагается создавать "нейропротезы", имплантируемые в
поврежденные участки нервной системы. С их помощью возможно будет приводить в
движение искусственные конечности, либо станет реальностью осуществление
специальных процедур, которые смогут привести к восстановлению моторного
управления у парализованных.
Но прямое подключение к нервным волокнам - это еще не все, поскольку большая
сложность заключается в том, чтобы разобраться в тончайших нюансах электрических
сигналов, передающихся по нервам. Результаты сотрудничества между физиками
Университета Калифорнии, Сан Диего (UCSD) и психологами Университета Вандербильт
дают новые ключи к раскрытию этих сложных механизмов. Согласно мнению
исследователей, Дэвида Клейнфилда, профессора физики UCSD и Форда Ф. Эбнера,
профессора психологии и клеточной биологии (Вандербильт), отфильтровывание
многих из ненужных нам поступающих сенсорных ощущений (при сосредоточении на
определенном запахе, вкусе, или звуке) обусловлено способом соединения
сенсорного и моторного участков коры головного мозга. Этот подсознательный
механизм обработки поступающих сенсорных ощущений позволяет нам немедленно
посылать моторные сигналы нашим глазам, ушам, носу для усиления восприятия той
сенсорной информации, в которой мы заинтересованы.
Чувствование необъяснимо связано с моторным управлением. Если мы издали
узнали приятеля, мы сопровождаем его глазами; если поглаживаем предмет пальцами,
движение руки позволяет лучше ощутить его текстуру; если новый аромат проникает
в комнату, мы, принюхиваясь, втягиваем носом порцию воздуха и идентифицируем
запах. Во всех этих процессах мозг отделяет сенсорную информацию от моторного
компонента, который направляет и определяет ощущение.
В своих экспериментах ученые определили те механизмы, с помощью которых
сенсорные сигналы преобразуются в моторные управляющие сигналы. Объединив
разнородные физические и психологические инструменты, они исследовали
преобразование поступающих переходных сенсорных сигналов в однородный сигнал,
управляющий положением осязательных волосков на мордах лабораторных крыс. Эти
длинные волоски - вибриссы (лат. vibrate - дрожание), имеющиеся у многих
животных, в т.ч. и у наших домашних любимцев (кошек, собак и др.), являются
особым органом чувств. Специализированные клетки-механорецепторы, расположенные
в основании волоса, воспринимают смещение и давление. О любом изменении
положения волоса сигнал передается по нервному волокну в центральную нервную
систему. Принято считать, что вибриссы у животных действуют так же, как кончики
пальцев у человека и обезьян, когда они обследуют поверхность и форму предметов.
Центральная тема в сенсорном восприятии - то, как движение влияет на
обработку сенсорной информации. Полученные в исследовании результаты
демонстрируют, что сенсорные центры коры головного мозга производят сложное
извлечение информации о том, чего усы коснулись. В то же время двигательные
центры управляют перемещениями волосков, эффективно синхронизируя степень их
стимуляции. Полагают, что это аналогично тому, как при распознавании осязаемого
предмета человеку требуется бегло пробегать пальцами по его поверхности -
приспособление к различной степени шершавости оптимизируется двигательным
центром (кортексом) мозга.
Учеными было обнаружено, что в процессе обработки сигнала мозг крысы способен
извлекать какую-то одну определенную часть из комплекса ритмических сенсорных
сигналов. Это отчасти напоминает задание высоты тона, когда оркестранты
настраивают свои инструменты на определенную ноту, подаваемую одним из
инструментов. В случае системы вибрисса, эта фундаментальная частота может
служить синхронизации движений чувствительных усов. В результате сенсорное
восприятие оптимизируется.
Результаты данного исследования могут быть применимы в биомедицине и
робототехнике. Учет этого механизма преобразований сигналов в нервной системе
позволит исследователям точнее имитировать управляющие сигналы для
восстановления моторного управления у парализованных пациентов с нарушениями
чувствительных нервов. Это поможет созданию полноценных протезов, управляемых
через прямое подключение к нервным волокнам, чтобы помочь больным, страдающим от
вынужденной обездвиженности. Кроме того, описываемые сигналы многое проясняют
относительно того, как биология могла бы решить некоторые из имеющихся проблем
прикладного характера. Например, прямохождение человека. Людям оно дается легко,
но попытки научить этому "андроидов" по большей части оборачиваются неудачами.
Эксперименты подобного рода дают дополнительные ключи к решению некоторых из
данных трудновычисляемых задач.
Результаты исследования опубликованы в журнале Neuron:
David Kleinfeld, Robert N.S. Sachdev, Lynne M. Merchant, Murray R. Jarvis, and
Ford F. Ebner. Adaptive Filtering of Vibrissa Input in Motor Cortex of Rat.
Neuron, Vol. 34, P. 1021-1034, 2002.