Почти 100 лет студенты изучают моторный гомункулус. Это знаменитая схема, предложенная нейрохирургом Уайлдером Пенфилдом, на которой кора головного мозга поделена на участки. Он нарисовал эту схему в 30-х годах XX века, после экспериментов со стимуляцией открытого мозга током: врач смотрел, какие мышцы пациента дергаются в ответ на слабый разряд. Из-за этого считалось, что в моторной коре нейроны выстроены в четком порядке: вот здесь зона для управления пальцами ног, рядом — область для рук, а чуть ниже находится блок лицевых мышц.
Эксперименты на животных и на людях по регистрации и стимуляции одиночных клеток давно намекали, что мозг устроен хитрее и двигательные зоны могут перекрываться. Чтобы обновить классическую схему, нейрофизиологи решили заново прочитать сигналы на уровне отдельных нейронов и выяснили, как именно прецентральная извилина командует движениями. Результаты опубликовали в журнале Nature.
Авторы научной работы проанализировали данные восьми парализованных пациентов. Этим людям хирурги ранее вживили в мозг микроэлектродные массивы Юта (Utah arrays) в рамках проекта BrainGate2. Технология позволила нейробиологам следить за электрическим пульсом отдельных нейронов. Пациентов просили мысленно выполнить 45 разных движений: например, попытаться поднять ногу, сжать кисть или произнести слово. В это время система нейроинтерфейса непрерывно фиксировала вспышки активности в коре.
В результате строгих границ не оказалось: информация о движениях всего тела была распределена по многим участкам. Зона, которая сильнее всего вспыхивала при мысли о движении руки, также содержала сигналы о работе ног и лица. Точность алгоритмического распознавания команд достигала 86% даже там, где, по старой схеме, их вообще не должно было быть.
На основе всех данных исследователи нарисовали новую карту. В ней появилась универсальная центральная область. Она работает как сложный перекресток, который одинаково сильно реагирует на команды для всех частей тела. Именно нейроны из этой зоны позволили алгоритму распознать весь каталог из 45 движений с рекордной точностью. Поэтому мозг использует не набор изолированных кнопок, а комплексный код, где сигналы прочно переплетены друг с другом.
Кроме того, биологи расшифровали в моторной коре «композиционный код» — 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 уже потом применяет ее к конкретной руке или ноге. Эту фундаментальную связь между конечностями ученые зафиксировали во всех участках извилины, включая речевые центры.
Исследователи сделали важную оговорку. Они изучали мозг людей, которые годами жили с параличом. За это время их 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 или несколькими протезами придется 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.