Десятилетиями студенты-медики заучивали моторного гомункулуса — знаковую карту, которую нейрохирург Уайлдер Пенфилд создал в 1930-х годах, раздражая обнаженный мозг пациентов слабыми разрядами тока. Согласно той схеме, кора напоминала строго упорядоченное лоскутное одеяло: один участок ведал пальцами ног, соседний — кистями, а где-то ниже прятался блок лицевых мышц.
Однако новые данные, полученные в журнале Nature, показывают, что эта аккуратная картинка была лишь удобной иллюзией.
Перекрестная активность вместо изолированных кнопок
Исследователи изучили сигналы мозга восьми человек с параличом, которым ранее имплантировали микроэлектродные матрицы в рамках программы BrainGate2. Пациентов просили мысленно совершить 45 разнообразных действий — от попытки поднять ногу и сжать запястье до беззвучного произнесения слов.
Система непрерывно регистрировала электрические импульсы на уровне отдельных нейронов. Вопреки канонической схеме, никаких строгих границ обнаружено не было: информация о движениях конечностей, лица и речи оказалась рассеяна по обширным областям коры.
Участок, наиболее бурно реагировавший на воображаемое движение руки, одновременно хранил сигналы, касающиеся работы ног и рта. Алгоритмы машинного обучения считывали двигательные команды даже в тех зонах, где, согласно модели Пенфилда, им быть не полагалось.
Абстрактный язык планирования и «композиционный код»
На фундаменте собранных данных нейрофизиологи вычертили обновленную карту, центральным элементом которой стала особая универсальная область.
Она функционирует как оживленный перекресток, одинаково интенсивно откликающийся на команды для всех частей тела. Именно нейроны этого хаба позволили алгоритму с рекордной точностью распознавать весь каталог из 45 движений.
Мозг оперирует не набором изолированных кнопок, а гораздо более сложным и надежным кодом, где сигналы прочно переплетены друг с другом, — объясняют авторы открытия.
Кроме того, ученые расшифровали в моторной коре «композиционный код» — абстрактный язык планирования действий. Нейроны использовали математически похожие шаблоны для движений совершенно разных конечностей. Паттерны активности при мысленном сгибании запястья оказались удивительно близки к сигналам, возникавшим при попытке согнуть лодыжку.
Похоже, мозг сперва рождает общую идею сгибания сустава, а уже потом проецирует ее на конкретную руку или ногу, причем эту фундаментальную связь зафиксировали во всех участках извилины, включая речевые центры.
Исследователи, впрочем, делают важную оговорку: они работали с мозгом людей, годами живших с параличом, и за это время нейронные ансамбли могли частично перестроиться. Не исключено также, что при интенсивной мысленной концентрации пациенты могли непроизвольно напрягать мышцы шеи или лица, что улавливали датчики.
Однако для медицинской инженерии переоценка моторной коры открывает захватывающие перспективы. Прежняя логика подсказывала, что для управления сложным роботизированным аватаром или несколькими протезами потребуется вживлять чипы в разные изолированные области мозга.
Теперь становится очевидно: один-единственный датчик, установленный в нужной точке, способен перехватывать команды практически для всего тела. Классический гомункулус оказался бесценным, но излишне упрощенным наброском, за которым долго скрывалась неизмеримо более гибкая и элегантная нейронная сеть.