Картирование различных частей мозга и определение того, как они соответствуют мыслям, действиям и другим нейронным функциям, является центральной областью исследований в нейробиологии, но в то время как предыдущие исследования с использованием фМРТ и ЭЭГ позволили исследователям грубо выделить области мозга, связанные с разными типами нейронных активностей, они не позволили картировать активность отдельных нейронов.
Теперь в статье, опубликованной 26 марта в журнале Cell, исследователи сообщают, что они использовали массивы микроэлектродов, имплантированные в мозг двух человек, чтобы отобразить двигательные функции вплоть до уровня отдельной нервной клетки. Исследование показало, что область, которая, как считается, контролирует только одну часть тела, на самом деле задействована в широком спектре моторных функций. Он также продемонстрировал, как разные нейроны координируются друг с другом.
"Это исследование впервые показывает, что область мозга, которая ранее считалась связанной только с рукой, а кисть имеет информацию обо всем теле," говорит первый автор Фрэнк Уиллетт, научный сотрудник переводческой лаборатории нейронного протезирования в Стэнфордском университете и Медицинском институте Говарда Хьюза. "Мы также обнаружили, что в этой области есть общий нейронный код, который связывает все части тела вместе."
Исследование, проведенное в сотрудничестве между нейробиологами из Стэнфордского университета и Брауновского университета, является частью BrainGate2, пилотного клинического исследования с несколькими центрами, направленного на разработку и тестирование медицинских устройств для восстановления коммуникации и независимости у людей, страдающих неврологическими состояниями, такими как паралич и синдром запертости. Основное внимание команды Стэнфордского университета уделялось разработке способов восстановления способности этих людей общаться через интерфейсы мозг-компьютер (BCI).
В новом исследовании участвовали двое участников, страдающих хронической тетраплегией – частичной или полной потерей функции всех четырех конечностей. У одного из них повреждение спинного мозга на высокой степени, у другого – боковой амиотрофический склероз. Оба имеют электроды, имплантированные в так называемую ручную зону моторной коры головного мозга. Эта область, названная частично из-за ее формы, похожей на шишку, ранее считалось, что она контролирует движения только кистей и кистей рук.
Исследователи использовали электроды для измерения потенциалов действия в отдельных нейронах, когда участников просили попытаться выполнить определенные задачи – например, поднять палец или повернуть лодыжку. Исследователи изучили, как активировались микроматрицы в головном мозге. Они были удивлены, обнаружив, что область рукоятки руки активируется не только движениями кисти и руки, но также ног, лица и других частей тела.
"Еще одна вещь, которую мы рассмотрели в этом исследовании, – это согласование движений рук и ног," Виллетт говорит, "например, подняв запястье вверх или подняв лодыжку вверх. Мы ожидали, что результирующие паттерны нейронной активности в моторной коре будут отличаться, потому что это совершенно другой набор мышц. На самом деле мы обнаружили, что они намного больше похожи, чем мы ожидали." Эти результаты показывают неожиданную связь между всеми четырьмя конечностями в моторной коре, которая может помочь мозгу передавать навыки, полученные с одной конечностью, на другую.
Уиллетт говорит, что новые результаты имеют важное значение для разработки BCI, чтобы помочь парализованным людям снова двигаться. "Раньше мы думали, что для управления различными частями тела нам нужно установить имплантаты во многие области мозга," он отмечает. "Это захватывающе, потому что теперь мы можем изучить контроль движений всего тела с помощью имплантата только в одной области."
Одно важное потенциальное применение BCI – это возможность людей, которые парализованы или страдают синдромом запертости, общаться, управляя компьютерной мышью или другим устройством. "Возможно, мы можем связать разные движения тела с разными типами компьютерных щелчков," Виллетт говорит. "Мы надеемся, что сможем более точно использовать эти различные сигналы, чтобы позволить человеку, который не может говорить, использовать компьютер, поскольку нейронные сигналы от разных частей тела легче отделить от BCI, чем от одной руки или руки."