Naukowcy zajmujący się tworzeniem sterowanych myślami urządzeń protetycznych, np. dla osób z urazami rdzenia kręgowego czy po amputacjach, powinni ucieszyć się z wyników nowego finansowanego ze środków UE badania, które dowodzi, że mózg jest bardziej elastyczny niż dotąd sądzono.

Na łamach czasopisma Nature naukowcy z Portugalii i USA wyjaśniają, w jaki sposób w ramach procesu nazywanego plastycznością niektóre części mózgu uczą się wykonywać czynności, do których nie są normalnie przystosowane. Naukowcy odkryli, że te same obszary mózgu, które służą do uczenia się funkcji motorycznych, takich jak jazda na rowerze czy prowadzenie samochodu, można wykorzystać do ćwiczenia zadań czysto umysłowych. Jest to także pierwsze badanie, które z powodzeniem wyklucza rolę ruchu fizycznego w nauce używania protez.

Jeden z autorów badania, dr Rui Manuel Marques Fernandes da Costa z Ośrodka im. Champalimauda w Lizbonie otrzymał grant startowy Europejskiej Rady ds. Badań Naukowych (ERBN) w wysokości ponad 1,5 mln euro na projekt NEUROHABIT ("Mechanizmy neuronowe nauki czynności i wyboru czynności: od działania intencjonalnego do nawyku"), który został wykorzystany w badaniu.

Inny z autorów, Jose Carmena z Uniwersytetu Kalifornijskiego, komentuje wyniki badania: "Mamy nadzieję, że nasze odkrycia dotyczące mózgowych powiązań neuronowych doprowadzą do stworzenia lepszych protez, które będą tak bliskie naturalnej anatomii, jak to możliwe. Wyniki badań wskazują, że uczenie się sterowania BMI (interfejsem mózg-maszyna), które jest z zasady nienaturalne, może wydawać się całkowicie naturalne człowiekowi, gdyż proces uczenia wykorzystuje istniejące wbudowane struktury mózgu odpowiedzialne za funkcje motoryczne. Ma to kluczowe znaczenie dla osób, które nie mogą się poruszać. Większość badań nad interfejsem mózg-maszyna było przeprowadzanych na zdrowych, pełnosprawnych fizycznie zwierzętach. Nasze badanie dowodzi, że sterowanie neuroprotezą jest możliwe, nawet jeśli nie obejmuje ruchu fizycznego".

Doświadczenia przeprowadzane przez naukowców obejmowały między innymi sprawdzenie, czy szczury potrafią wykonać całkowicie abstrakcyjne zadanie, które nie wymaga ruchu fizycznego. Naukowcy powiązali funkcję neuronów ruchowych potrzebnych zwierzęciu do poruszania wąsami z czynnością wymaganą do zdobycia nagrody w postaci pożywienia. Szczury podłączono do interfejsu mózg-maszyna, który przekształcał fale mózgowe w tony dźwiękowe. Aby otrzymać nagrodę, szczury musiały zmienić wzorzec myślowy w konkretnym obszarze mózgu, zwiększając lub zmniejszając wysokość sygnału. Szczury otrzymywały dźwiękową informację zwrotną, dzięki czemu uczyły się kojarzyć określone wzorce myślowe z daną wysokością dźwięku.

W ciągu zaledwie dwóch tygodni szczury nauczyły się, że aby otrzymać suchą karmę, muszą wygenerować wysoki ton, a aby otrzymać wodę z cukrem - ton niski. Gdyby badana grupa neuronów była używana do pełnienia swojej normalnej funkcji, tj. poruszania wąsami, zwierzęta nie zmieniałyby wysokości dźwięku i nie otrzymywały nagrody.

"Jest to coś, co nie jest naturalne dla szczurów", mówi dr Costa. "To znaczy, że możliwe jest zbudowanie protez, które nie muszą kopiować anatomii naturalnego układu motorycznego, aby działać".

Naukowcy mają nadzieję, że odkrycie doprowadzi do stworzenia nowej generacji protez, którymi pacjenci będą mogli sterować w sposób naturalny i bez wysiłku.

© Unia Europejska 1994 - 2012

Źródło: CORDIS

Referencje dokumentu: Koralek, A. C. et al., "Corticostriatal plasticity is necessary for learning intentional neuroprosthetic skills", Nature, 2012. doi:10.1038/nature10845