ЧИКАГО – Ученые Северо-Западной медицины открыли нейронный механизм для быстрой и точной корректировки точной двигательной активности.
Исследование, проведенное Ли Миллером, профессором физиологии Медицинской школы Файнберга Северо-Западного университета, показало, что премоторная кора головного мозга может использовать "нейронный блокнот" между ним и первичной моторной корой для расчета точных корректировок в достижении планов.
"Этот вид краткосрочного моторного обучения, по-видимому, не требует структурных изменений в мозге, что делает его более быстрым и гибким," сказал Миллер, также профессор биомедицинской инженерии в Северо-западной инженерной школе Маккормика.
Исследование будет опубликовано в октябре. 18 в журнале Neuron.
Нейробиологи уже много лет исследуют, как мозг адаптирует моторное поведение в короткие сроки. Предыдущие исследования показали, что мозгу требуется около 15 минут, чтобы существенно скорректировать моторное поведение, поэтому ученые ожидают найти соответствующую нейронную сигнатуру – затухание или изменение активности в течение этого времени, в течение которого поведение корректируется.
До сих пор поиски этой сигнатуры в моторной коре головного мозга оказались безрезультатными.
В текущем исследовании исследователи расширили сферу своей деятельности, измеряя активность как моторной, так и премоторной коры во время достижения движений на моделях приматов. Они обнаружили, что, когда достигаемое движение отклонялось от курса и его приходилось корректировать, функциональные отношения между нейронами в двух областях оставались неизменными. Это, казалось, исключало физические изменения в мозге как механизм, ответственный за приспособление.
Однако анализ сигналов в премоторной коре головного мозга к моторной коре выявил два различных набора. Один набор содержал сигналы, которые, по-видимому, контролировали активность моторной коры, называемую мощной проекцией. Второй набор сигналов по существу отменяется на пути к моторной коре, называемый нулевой проекцией. По словам Миллера, это позволяет мозгу моделировать эффекты различных двигательных планов, даже не выполняя никаких действий.
"Мозг может пробовать разные вещи в симуляции, не портя то, что он уже делает," Миллер сказал. "Затем, когда это выяснено, он может послать эти измененные инструкции моторной коре через мощную проекцию."
По словам Мэтта Перича, первого автора исследования и бывшего аспиранта лаборатории Миллера, временной ход этих изменяющихся вычислений в нулевой проекции соответствовал отсутствующему 15-минутному интервалу.
"Это говорит о том, что что-то происходит в премоторной коре головного мозга: нулевая проекция может выполнять свой собственный тип вычислений или обработки ошибок и в конечном итоге сообщает моторной коре, что делать," Перич сказал.
Тот факт, что эти краткосрочные корректировки, по-видимому, не требуют физических изменений в мозге, может упростить разработку интерфейсов мозг-компьютер, буквальных соединений с мозгом, которые выполняют такие функции, как управление протезами конечностей.
"Структура на удивление устойчива," Перич сказал. "Теперь, когда у нас есть более фундаментальное понимание того, как выглядит этот процесс, мы надеемся найти способы включить его в интерфейсы."
По словам Миллера, необходимы дополнительные исследования, чтобы полностью понять, как эти нулевые проекции используются для корректировки двигательной функции.
"Наши декодеры должны быть достаточно умными, чтобы смотреть на эту нулевую активность и следить за тем, чтобы они не заставляли руку двигаться или делать что-то, что в противном случае она не должна была бы делать, так как мозг не будет," Миллер сказал.
В другом исследовании, опубликованном в Nature Communications, Миллер и его коллеги обнаружили, что, сталкиваясь с неуверенностью в том, как двигаться, премоторная кора головного мозга подготавливает только одну завершенную "план достижения" вовремя. Этот тип принятия решений и планирования происходит до того, как активность достигает моторной коры, что предполагает роль нулевых проекций помимо исправления ошибок.
"Это очень мощные экспериментальные и аналитические подходы, которые мы начинаем применять к процессу принятия решений, планирования и выполнения движений," Миллер сказал.