Изследователи от Пекинския университет доказаха, че визуалното възприемане на собственото тяло в човешкия мозък не е ограничено от анатомията, определена от еволюцията. Ако човек получи възможност да управлява виртуални крила в реалистична физическа симулация, мозъкът му пренарежда невронните връзки. В резултат на това нервната система започва да обработва информацията за тези изкуствени придатъци по същия начин, по който обработва данните за собствените си ръце.
Резултатите от този експеримент са публикувани в научното списание Cell Reports.
Виртуални крила, свободна интерпретация
Проблемът с възприятието на собственото тяло
В кората на главния мозък на човека се намира окципитално-темпоралната област. Една от основните ѝ функции е визуалното разпознаване на човешкото тяло и отделните му елементи. В продължение на десетилетия в невробиологията доминира теорията, че работата на тази област се дължи на биологичната структура на нашия вид и на ежедневния визуален опит. Хората виждат ръцете, краката и торса си всеки ден, така че мозъкът формира различни невронни представи за тях.
Учените обаче отдавна знаят, че мозъкът притежава невропластичност – способността да се променя под влиянието на новия опит. Например, когато използвате бастун или сложен ръчен инструмент за дълъг период от време, мозъкът взема предвид техните размери при придвижването. Въпреки това инструментът винаги остава външен обект за нервната система. Човешкият мозък разпознава, че предметът е в ръката, но не счита предмета за самата ръка.
Китайските изследователи си поставят за цел да разберат дали тази невропластичност има граници. Те решават да проверят дали човешкият мозък може напълно да интегрира в своята система за възприятие напълно нов орган, който хората никога не са имали, и да го разпознае като пълноценна част от тялото.
График на експеримента: изследването включва четири сесии за VR тренировки, разпределени между две процедури за fMRI сканиране (преди и след тренировката)
Организацията на експеримента: физиката на виртуалния полет
Учените използват технологията за виртуална реалност, за да организират експеримента. Те са разработили специална програма, която симулира физиката на полета. В изследването участват 25 доброволци.
Процесът на обучение се състои от четири сесии, разпределени в рамките на седем дни. Към ръцете на участниците били прикрепени високопрецизни сензори за улавяне на движението. Във виртуалната реалност участниците виждали света от първо лице, но вместо обичайните човешки ръце техният аватар имал широки крила. Сензорите синхронизирали без забавяне движенията на реалните крайници с тези на виртуалните крила.
Тестовите субекти е трябвало да се научат да летят. Програмата е взела предвид реалистичната аеродинамика. За да се отлепят от земята и да наберат височина, участниците е трябвало със сила да спуснат протегнатите си ръце надолу, за да създадат подемна сила. Когато ръцете се издигат нагоре, те е трябвало да се огъват и притискат надолу, за да се намали площта на съпротивление на виртуалния въздух.
Тренировката включва няколко вида задачи: еднократно замахване за максимална подемна сила, летене с максимална скорост, поддържане на стабилна височина и навигация в пространството чрез летене през пръстени във въздуха. До края на четвъртата сесия всички участници значително подобряват уменията си за управление на крилата и във въпросниците съобщават за силно субективно усещане за контрол.
Промените в невронната активност при виждане на крилата след VR тренировките
Анализ на мозъчната активност: методологията
За да регистрират физиологичните промени, учените сканират мозъците на всички участници с помощта на функционален магнитен резонанс (фМРТ). Тази процедура е извършена два пъти: няколко дни преди началото на сесиите за виртуално обучение и веднага след края на последната сесия.
Участниците не са извършвали никакви движения, докато са били в томографа. На екрана им са показвани различни изображения: човешки ръце, крака, долни части на лица, инструменти, столове, опашки и крила на животни. Показани са им както крилата, използвани във виртуалната симулация, така и нормални птичи крила, които не са включени в програмата. Чрез fMRI се проследява кои области на мозъка получават приток на кръв, докато гледат различните картини.
Сравняването на сканиранията преди и след едноседмичното обучение разкри три специфични промени в мозъчната функция.
Промените в невронното сходство на изображенията след VR тренировката
Трите нива на интеграция на новия орган
1. Засилена местна реакция
След курса на управление на виртуалния аватар окципитотемпоралната кора започва да реагира на изображенията на крилата много по-активно, отколкото преди експеримента. В същото време реакцията към другите обекти (инструменти или части на тялото) остава на същото ниво. Важно е да се отбележи, че мозъкът започва да реагира по-силно не само на познатите виртуални крила, но и на крилата на птиците. Това означава, че нервната система е повишила чувствителността си към цялата категория такива обекти като цяло, а не само към запомнянето на конкретна картинка от играта.
2. Промени в невронните модели
Активността на невроните при възприемането на какъвто и да е обект създава уникален пространствен модел – шаблон. Учените са анализирали тези модели с помощта на алгоритми с машинно обучение.
Преди началото на тренировките невронният модел, който възниква при вида на крила, е бил много различен от модела, който възниква при вида на човешки ръце. Крилата се възприемали като чужди обекти, по-близки до опашките на животните или неодушевените предмети. След летенето във виртуалната реалност обаче моделът на крилата се променя. Статистически той е станал възможно най-близък до невронния отпечатък на горните крайници. Мозъкът започнал да класифицира изкуствените крила в същата категория като биологичните ръце.
3. Нови функционални връзки
Променила се е не само зоната за визуално разпознаване. Учените са документирали увеличена свързаност между тилната кора и фронтопариеталните области на мозъка. Фронтопариеталните области отговарят за планирането на сложни движения и обработката на информацията от мускулите и кожата (соматосензорна информация).
След обучението само погледът към изображението на крилото кара зрителната кора да изпраща интензивни сигнали към двигателните центрове. Мозъкът започва да свързва визуалния образ на крилата с двигателни команди и очакване на физическа обратна връзка от тяхното движение.
Промените в силата на невронните връзки при възприемането на крила след VR тренировките
Механизъм на семантичното кодиране на функциите
Откритията опровергават схващането, че мозъкът формира карта на тялото единствено въз основа на вродена анатомия или пряко визуално сходство. Нервната система използва принципа на функционално-семантичното кодиране.
За мозъка няма значение, че виртуалното крило е напълно различно от ръката с пръсти. Ако новият орган реагира синхронно на двигателните команди на човека, зависи пряко от съкращаването на мускулите му и му позволява да извършва целенасочени действия (да се движи в пространството), мозъкът се адаптира към тези условия. Той разпознава новия орган като част от тялото, като разчита на неговата функция, а не на формата му.
Авторите на изследването подчертават разликата между крилата от експеримента и конвенционалните инструменти. Когато човек използва протеза или държи предмет в ръцете си, той вижда както инструмента, така и собствените си ръце, които го управляват. В този случай мозъкът поддържа разграничението между тялото и външния обект. Във виртуалната реалност биологичните ръце на човека са напълно скрити от погледа, а движенията им се преобразуват директно в движения на крилата. Именно тази липса на визуален конфликт позволила на мозъка да си присвои напълно новия орган.
Общият модел на невронната адаптация: как мозъкът „присвоява“ виртуалните крила въз основа на тяхната функция и значение
Значението на изследването за науката и технологиите
Доказателството, че мозъкът може бързо да включи нечовешки крайници в своята вътрешна референтна рамка, има широко практическо приложение.
На първо място, тези открития откриват нови възможности за създаване на мозъчно-компютърни интерфейси и бионични протези. Разработчиците могат да проектират изкуствени крайници с всякаква форма и предназначение, без да се ограничават до стриктното копиране на човешката анатомия. Нервната система на пациентите ще може да се научи да възприема специализираните роботизирани ръце като естествена част от тялото им, което ще направи управлението им интуитивно и прецизно.
Откритията са важни и за по-нататъшното развитие на системите за виртуална и разширена реалност. Те показват, че с подходяща физическа симулационна настройка и прецизна синхронизация на движенията хората могат да контролират напълно аватарите с всякаква анатомия, независимо дали става въпрос за допълнителни крайници или органи, които не присъстват при приматите. Мозъкът е достатъчно гъвкав, за да пренапише основните правила на възприятието, така че да отговаря на новите условия на средата.