Нейроны-универсалы: новая карта моторной коры мозга упростит создание нейропротезов

Группа нейрофизиологов проанализировала активность одиночных нейронов у восьми парализованных пациентов. Этим людям ранее вживили в мозг микроэлектродные массивы Юта в рамках проекта BrainGate2. Технология позволила следить за электрическим пульсом отдельных клеток.

Пациентов просили мысленно выполнить 45 разных движений — например, попытаться поднять ногу, сжать кисть или произнести слово. Система нейроинтерфейса непрерывно фиксировала вспышки активности в коре. Результаты опубликованы в журнале Nature.

Строгих границ не нашлось

Вопреки классической схеме, информация о движениях всего тела оказалась распределена по многим участкам. Зона, которая сильнее всего реагировала на мысль о движении руки, содержала также сигналы о работе ног и лица. Точность алгоритмического распознавания команд достигала 86% даже там, где, по старой карте, их вообще не должно было быть.

На основе данных исследователи нарисовали новую карту. В ней появилась универсальная центральная область — сложный перекресток, одинаково сильно реагирующий на команды для всех частей тела. Именно нейроны из этой зоны позволили алгоритму распознать весь каталог из 45 движений с рекордной точностью.

«Композиционный код» движений

Биологи расшифровали в моторной коре абстрактный язык планирования действий. Нейроны использовали похожие шаблоны для разных конечностей. Например, паттерны электрической активности при мысленном сгибании запястья оказались математически похожи на сигналы при попытке согнуть лодыжку. Ученые пришли к выводу, что мозг сначала генерирует общую идею сгибания сустава, а затем применяет ее к конкретной руке или ноге.

Эту фундаментальную связь между конечностями зафиксировали во всех участках извилины, включая речевые центры. Исследователи сделали оговорку: они изучали мозг людей, годами живших с параличом, поэтому нейронные связи могли перестроиться. Кроме того, при сильном мысленном усилии пациент мог незаметно напрягать шею или лицо, что тоже считывали датчики.

Для медицины эта переоценка моторной коры открывает новые перспективы. Раньше инженеры думали, что для управления сложным роботом-аватаром нужно вживлять чипы в разные изолированные зоны мозга. Теперь очевидно, что один датчик в правильном месте способен перехватить команды почти для всего тела. Классический гомункулус оказался лишь удобным упрощением, скрывавшим гораздо более гибкую нейронную сеть.