Ново изследване разкрива как мозъкът управлява движенията на ръцете ни

Приели сме за даденост умението да боравим с ръцете си и едва ли се замисляме как точно се случва това. А всъщност разгадаването на механизма, с чиято помощ можем да контролираме движенията на крайниците си, е в основата на важни открития. Екип от учени работи върху създаването на интерфейс, който свързва компютър с човешкия мозък, за да помогне в бъдеще на пациенти с изкуствени ръце и крака да ги контролират по-лесно със силата на мисълта.

Как обаче ръцете ни хващат предмети, като например инструменти и прибори, при това със завидна прецизност, остава загадка. Стефани Росит, психолог от университета на Източна Англия, и нейни колеги решават да проведат изследване, за да проверят дали има връзка между сигналите, постъпващи от определени части на мозъка, и прецизността на захвата – например хващане дръжката на ножа, а не неговото острие.

Екипът й публикува първото проучване, което разкрива дали и как човешкият мозък обработва автоматично информацията за триизмерните обекти, за да гарантира точните движения на ръцете. Откритията, до които стига, могат да се окажат жизненоважни за здравето на хората и обществото като цяло.

Използването на ръчни инструменти различава човека от животните

Боравенето с ръчни инструменти, като ножа, се счита за характерна особеност на човека. Вярва се, че тази наша способност е важен момент от човешката еволюция и дори бележи началото на първите Homo sapiens. В животинското царство няма друго същество, което да може да измисля, създава и използва инструменти или оръдия на труда.

Повечето проучвания до момента разглеждат мозъчните процеси и взаимодействия, които ни помагат да хващаме и движим определени предмети, като се базират на записи на мозъчната дейност, докато участниците гледат снимки на инструменти или ръце, а не докато извършват реални движения. Проследяването на случващото се в мозъка по време на боравене с инструмент е сложна задача, тъй като пространството в ЯМР скенера е ограничено и доброволецът трябва да е в пълен покой.

Разликите между разпознаването на триизмерен обект и използването му в реалния живот са огромни. В първия случай човек е наясно, че онова, което вижда на снимката не може да бъде взето в ръка.

Когато участниците наблюдават снимки с инструменти, се активират региони в мозъка, различни от тези, които се активират при вида на предмети като стол например. До момента се предполагаше, че това е еволюционна особеност, която се е развила, за да усъвършенства движенията на ръцете и захвата.

Промените в кръвния поток разкриват активните зони в мозъка

Изследователите използват ЯМР скенер, с който правят снимки на мозъка, докато доброволците боравят с предметите. С помощта на функционален ЯМР те проследяват промените в кръвния поток в определени зони на мозъка и въз основа на тях измерват мозъчната активност.

Научният експеримент

Ограниченото пространство в скенера изисква от учените да бъдат находчиви. Те създават специални условия, които да позволят на човека в машината да хваща предмети, докато лежи в покой. Над коремната му област е позиционирана въртяща се масичка, върху която са поставени различни предмети.

Преди експеримента екипът проектира и принтира на 3D принтер кухненски прибори – обикновен нож, нож за пица и лъжица. На контролната група се предоставят други 3D принтирани предмети, които обаче не са вид инструменти, а обикновени пръчки.

В изследването участват 20 доброволци, а сканирането на мозъчната дейност се извършва на два етапа в университетска болница „Norfolk and Norwich“. По време на първия етап всеки от тях трябва да хване триизмерните прибори и другите триизмерни предмети правилно и неправилно. На втория етап участниците трябва единствено да наблюдават снимки с инструменти, ръце и други предмети, без да движат ръцете си.

Росит и колегите й отново записват мозъчната им дейност, за да установят кои области в мозъка реагират на снимките. С помощта на машинно самообучение се разшифроват процесите в мозъка, с цел да се провери дали е възможно да се предвиди кога човек би хванал прибора за дръжката и кога – за другата му част. Информацията е много важна, защото, за да боравят успешно с инструменти, хората първо трябва да знаят къде е безопасно да ги държат.

Психологът споделя: „Обратно на онова, което може би повечето учени биха очаквали, ние успяхме да предскажем кога точно човекът ще хване прибора за правилното място. Това бяха случаите, когато засичахме сигнали от определени мозъчни области, произведени при вида на снимки на ръце, а не при вида на снимки на прибори и инструменти.

Учените уточняват, че сигналите, постъпващи при наблюдение на изображения с ръце, са използвани успешно за предвиждане какви действия с приборите ще предприемат участниците, но не и какво ще направят с пръчките във втората фаза на експеримента.

Контрол на движенията с ръцете

Направените открития променят фундаменталните схващания за начина, по който мозъкът контролира ръцете ни.

Появата на оръдията на труда, които изискват хващане с ръка, е повратен момент в човешката еволюция, който ни отдалечава от най-близките ни човекоподобни маймуни. Според психолога експериментът дава насоки кои са конкретните мозъчни зони, претърпели най-сериозни еволюционни промени.

Екипът на Росит смята, че може да използва наученото за активните мозъчни области при вида на ръчни инструменти, за да усъвършенства интерфейсите, базирани на силата на човешката мисъл, и протезите, или за да прогнозира шансовете за възстановяване на пациенти с мозъчна травма.

Стефани Росит признава: „Запленена съм от начина, по който човешкият мозък контролира тялото и взаимодейства със заобикалящия свят. Надявам се занапред да задълбочим проучванията си, като анализираме механизмите, по които боравят с предмети здрави хора и пациенти с неврологични нарушения.