Nicholas G. Hatsopoulos, dr, profesor biologije i anatomije organizma na Univerzitetu u Čikagu, dugo je bio zainteresovan za svemir. Konkretno, fizički prostor koji zauzima mozak.
„U našim glavama, mozak je sav zgužvan. Ako biste spljoštili ljudski korteks u jedan 2D list, on bi pokrio dva i po kvadratna metra prostora — otprilike veličine četiri komada papira. mozak bi iskoristio sav taj prostor prilikom organizovanja obrazaca aktivnosti, ali osim što znamo da jedan deo mozga kontroliše ruku, a drugi nogu, uglavnom smo ignorisali kako bi mozak mogao da koristi tu prostornu organizaciju.“
Sada u novoj studiji objavljenoj 16. januara u Proceedings of the National Academi of Sciences, Hatsopulos i njegov tim su pronašli dokaze da mozak zaista koristi prostornu organizaciju visokofrekventnih talasa neuronske aktivnosti tokom kretanja.
Prisustvo propagirajućih talasa neuronske aktivnosti je dobro utvrđeno, ali se tradicionalno povezuje sa opštim stanjem ponašanja životinje (kao što je budna ili zaspala). Ova studija je prvi dokaz da prostorno organizovano regrutovanje neuronske aktivnosti preko motornog korteksa može izvesti detalje o planiranom kretanju.
Tim se nada da će rad pomoći da se informiše kako istraživači i inženjeri dekodiraju motorne informacije da bi izgradili bolje interfejse mozga i mašine.
Da bi sproveli studiju, istraživači su snimili aktivnost višeelektrodnih nizova implantiranih u primarni motorni korteks makakija majmuna, dok su majmuni radili zadatak koji je od njih zahtevao da pomeraju džojstik. Zatim su tražili talasne obrasce aktivnosti, posebno one visoke amplitude.
„Fokusirali smo se na signale visokog frekventnog opsega s obzirom na njegove bogate informacije, idealan prostorni domet i lakoću dobijanja signala u svakoj elektrodi“, rekao je Vei Liang, prvi autor studije i diplomirani student u laboratoriji Hatsopoulos.
Otkrili su da ovi talasi koji se šire, koji se sastoje od aktivnosti stotina neurona, putuju u različitim pravcima preko kortikalne površine na osnovu toga u kom pravcu je majmun gurao džojstik.
„To je kao niz domina koje padaju“, rekao je Hatsopulos. „Svi uzorci talasa koje smo videli u prošlosti nisu nam govorili šta životinja radi, to bi se jednostavno dogodilo. Ovo je veoma uzbudljivo jer sada gledamo ovaj talasni obrazac koji se širi i pokazujemo da je pravac talas ide vam govori nešto o tome šta će životinja da uradi.“
Rezultati pružaju novi način sagledavanja kortikalne funkcije. „Ovo pokazuje da je prostor bitan“, rekao je Hatsopulos. „Umesto da samo gledamo šta populacije neurona rade i o čemu im je stalo, vidimo da postoji prostorno organizovan obrazac koji nosi informacije. Ovo je veoma drugačiji način razmišljanja o stvarima.“
Istraživanje je bilo izazovno zbog činjenice da su proučavali obrasce aktivnosti iz pojedinačnih pokreta, a ne da su usrednjavali snimke tokom ponovljenih ispitivanja, što može biti prilično bučno. Tim je bio u mogućnosti da razvije računski metod za čišćenje podataka kako bi pružio jasnoću signala koji se snimaju bez gubitka važnih informacija.
„Ako u proseku radite u suđenjima, propuštate informacije“, rekao je Hatsopulos. „Ako želimo da implementiramo ovaj sistem kao deo interfejsa mozak-mašina, ne možemo da usrednjujemo pokušaje – vaš dekoder to mora da radi u hodu, dok se kretanje dešava, da bi sistem efikasno funkcionisao.
Saznanje da ovi talasi sadrže informacije o kretanju otvara vrata novoj dimenziji razumevanja kako mozak pokreće telo, što zauzvrat može da pruži dodatne informacije za računarske sisteme koji će pokretati interfejse mozak-mašina budućnosti.
„Prostorna dimenzija je do sada uglavnom ignorisana, ali to je novi ugao koji možemo koristiti za razumevanje kortikalne funkcije“, rekao je Hatsopulos. „Kada pokušamo da razumemo proračune koje korteks radi, trebalo bi da razmotrimo kako su neuroni prostorno raspoređeni.“
Buduće studije će ispitati da li se slični obrasci talasa vide u komplikovanijim pokretima, kao što su sekvencijalni pokreti za razliku od jednostavnog postizanja od tačke do tačke, i da li električna stimulacija mozga nalik talasu može da utiče na kretanje majmuna.
