Мозжечок и базальные ядра вместо хрустального шара: как мозг предсказывает будущее
Сегодня мы с вами немного отойдем от рассмотрения исследований на базе нашей любимой физики/химии и переключим свое внимание на исследования человеческого организма. Точнее сказать на исследование мозга. Этот орган настолько сложен, что все предыдущие исследования давали один ответ и 10 новых вопросов, так сказать. Конкретнее говоря, сегодня мы рассмотрим исследование, намеренное ответить на вопрос — как мозг предсказывает будущее? И нет, мы не будем говорить о картах таро, кофейной гуще, астрологии и прочих ненаучных вещах. Мы будем говорить о том, как мозг человека, используя имеющиеся звания, выстраивание логических цепочек и анализ ситуации, способен предвидеть недалекое будущее. Исследователи уделили этому аспекту внимание не из праздного любопытства, а ради того, чтобы лучше понять процессы в мозге человека во время развития некоторых болезней, в том числе и болезни Паркинсона. Что именно узнали ученые, как они проводили эксперименты и что это может означать для медицины в будущем? Доклад поможет нам найти ответы на эти вопросы. Поехали.
Основа исследования
Утрировано говоря, мозг это самый важный орган человека. Конечно, без сердца мозг не получит столь нужный ему кислород и умрет, значит сердце важнее? Не так ли? Соглашусь, все органы важны, все органы нужны. Однако наш с вами мозг управляет всем остальным: другими органами, системами, процессами. Зачесался нос — вы знаете это благодаря рецепторам, которые передают информацию в мозг. Банальный пример, но суть вы понимаете. Как вывод — потерять силу своего мозга это одно из самых страшных, что может случится с человеком. И, к сожалению, существует множество заболеваний, которые с той или иной силой «подавляют» нормальную работу мозга: деменция, болезнь Паркинсона, болезнь Альцгеймера и т.д. Даже психические расстройства напрямую связаны с работой мозга, точнее с нарушениями, которые происходят в этом органе. Столь сложная система, сравнимая с самым мощным био-компьютером на планете, изучается с незапамятных времен, но описать мозг человека на 100% еще никто не смог, хоть мы уже и знаем довольно много, но это далеко не все секреты, которые скрывает наш «персональный компьютер».
Сегодня ученые решили обратить внимание на такое расплывчатое понятие как «предсказание будущего». Звучит как название дешевого постановочного телешоу, не хватает только хрустального шара и фразы «я вижу, я вижу…». Но шутки шутками, а наш мозг способен на такое, хоть и не на таком паранормальном уровне, как многим бы хотелось.
Вся суть кроется в маленьких, порой незаметных вещах, событиях и действиях. Как пример ученые приводят баскетболиста, который, ввиду опыта, кидает мяч таким образом, будучи уверенным в том, что мяч попадет в сетку. Да, это больше похоже на знания или причинно-следственную связь, но слово «предсказание» подходит как короткий, простой и довольно яркий термин. Также те, кто из вас пользуется авто, могли замечать, что многие водители начинают движение с места буквально за доли секунды до того, как светофор загорится зеленым светом. Все это не глупость типа паранормальной активности, и Скалли и Малдера вызывать не стоит. Все это результаты сложных процессов нашего головного мозга. Даже когда вы с другом бросаете мячик друг другу, почему вы его ловите? Вы видите его траекторию, потому что знаете как ваш друг чаще всего совершает бросок. Наш мозг собирает подобную информацию и хранит ее для дальнейшего использования, чтобы упростить некие задачи. Зачем анализировать что-то, что уже происходило точно также? Можно отреагировать на процесс по известному паттерну и получить желаемый результат. В нашем детском примере — поймать мячик.
Мы не замечает все эти мыслительные процессы, мы не думаем о них (как бы каламбурно это не звучало). Но нарушение этих процессов сильно сказывается на жизни людей, которые страдают различными заболеваниями мозга и нервной системы.
Для того, чтобы понять как можно облегчить жизнь таких людей, необходимо в первую очередь четко понять принцип работы этого механизма предсказания, что наш мозг использует. Является ли он контекстно-зависимым или же он просто есть, как таковой.
Прежде всего ученые отмечают, что временные предсказания могут быть связаны с квазипериодичностью ряда стимулов (речь, музыка, биологические движения). То есть эндогенные изменения сопрягаются с внешними периодическими сигналами. С другой стороны временные прогнозы могут быть сформированы и в случае наличия лишь апериодического ряда событий. Также они могут формироваться и вполне изолированно, когда нам уже известен промежуток между двумя событиями. Последнее хорошо описывается примером с водителями, о котором я упоминал ранее. Водитель часто ездит по какой-то дороге, где есть светофор. Он отлично знает как этот светофор работает. И водителю уже не нужно даже смотреть на него, чтобы стартовать в момент загорания зеленого света. Это и есть изолированное формирование прогноза ввиду полученных ранее знаний касательно данной конкретной ситуации. В данном случае мозг водителя не только знает, что при нормальных условиях загорится зеленый свет, но и знает когда это произойдет. Назовем это внутренним секундомером. Таким образом данное предсказание и есть временным, то есть мозг предвидит событие спустя определенное время.
Нейробиологи до сих пор спорят о природе и механизме временных прогнозов. В сегодняшнем исследовании ученые считают, что нашли где кроется ответ на вопрос происхождения временных прогнозов — мозг. Но это понятное дело. Конкретнее в мозжечке и базальных ганглиях.
Тут мы можем увидеть местоположение мозжечка.
Первый «кусочек мозга» — мозжечок — отдел, отвечающий за координацию наших движений и равновесие. Он непосредственно связан с корой мозга, спинным мозгом, экстрапирамидной системой, стволом головного мозга и, с кем вы думаете, конечно с базальными ганглиями. Весь этот коллектив дает мозжечку информацию, что позволяет эму вносить коррективы в движения, осознанные или неосознанные.
Недавние исследования показали, что именно мозжечок играет неотъемлемую роль в формировании временных прогнозов. А именно в определении продолжительности интервалов и определении разницы между двумя отдельными (индивидуальными) временными интервалами. Другими словами, именно мозжечок позволяет вам «почувствовать», что прошло 5–10 минут или 10–15, уж простите за примитивный пример.
В свою очередь базальные ядра отвечают уже за ритмические суждения, то есть постоянные периодические явления (события).
При этом стоит еще отметить, что мозжечок не контролируется сознанием человека, в то время как базальные ядра, напротив, по некоторым теориям контролируются. Эту теорию подтверждает факт того, что базальные ядра «засыпают» во время сна человека.
Базальные ядра также участвуют в регуляции двигательных процессов (как и мозжечок). Помимо этого они активизируются во время того, когда вы концентрируете свое внимание. В этот момент базальные ядра выделяют вещество под названием «ацетилхолин», который играет важную роль в формировании памяти.
Такой небольшой экскурс в нейробиологию уже помог нам понять почему исследователи выделили именно 2 области головного мозга — мозжечок и базальные ядра — как основные детали механизма временного прогнозирования.
Естественно ученые должны доказать свою теорию. Для этого они применили так называемый нейропсихологический подход. А теперь подробнее о самих экспериментах.
Подготовка к экспериментам
В экспериментах брали участие как здоровые испытуемые (в качестве контрольной группы) — 23 человека, так и люди с мозжечковой дегенерацией (CD) — 13 человек и с болезнью Паркинсона (PD) — 12 человек. Важным аспектом было то, что все испытуемые не были музыкально активны последние 5 лет перед проведением эксперимента, то есть не играли на музыкальных инструментах и не пели в хоре. Эта небольшая личностная характеристика на самом деле имеет огромное значения в исследовании, ввиду того, что мозг испытуемого не был, так сказать, натренерован на подобную деятельность.
Группа CD состояла из 7 женщин и 6 мужчин, средний возраст составлял 51.6 года. Основным диагнозом среди испытуемых данной группы была спиноцеребеллярная атаксия: 6 человек — ввиду генетического подтекста, 5 испытуемых — неизвестная / идиопатическая этиология.
* 2 участника испытания были исключены, ввиду их невозможности выполнить задачу теста. Посему фактическое число участников в группе CD было 11, а не 13.
Группа PD состояла из 7 женщин и 5 мужчин, средний возраст — 68.4. Перед проведением экспериментов участники этой группы прошли тестирование UPDRS (Unified Parkinson«s Disease Rating Scale). Среднее значение по показателю моторики составило 14.2.
Обе группы были также проверены на наличие/отсутствие другие неврологических заболеваний.
Ввиду того, что между группами CD и PD имеется значительная возрастная разница, контрольная группа (здоровые испытуемые) также была подобрана в соответствие с этим параметром.
В качестве стимулов выступали цветные квадраты, отображаемые в течении 100 мс. В каждом экспериментальном заходе было 2 или 3 красных квадрата, за которыми следовал 1 белый квадрат, выступающий как «сигнальный». После него был 1 зеленый квадрат — «целевой», который и являлся основным в испытании. Интервал между белым и зеленым квадратами составлял 600 мс или 900 мс.
Основной задачей испытуемых было нажатие клавиши на клавиатуре как только они видят перед собой целевой (зеленый) квадрат.
В эксперименте было 3 варианта подобного опыта, они представлены схематически на изображении ниже.
Схематическое изображение трех вариантов опытов: ритмический, одноинтервальный и случайны.
В первом варианте присутствовало 3 красных квадрата, интервал между которыми был идентичен тому что был между сигнальным и целевым квадратом. То есть, 600 или 900 мс между каждым квадратом вне зависимости от цвета и назначения. Таким образом этот вариант теста является самым предсказуемым.
Во втором варианте было 2 красных квадрата. Тут интервалы были изменены. Как мы видим из графика выше, интервал между красными квадратами и между белым и зеленым — одинаковы, но вот интервал между последним красным и белым сильно отличаются.
Таким образом предугадать появление белого квадрата становится значительно сложнее, но на сам результат теста это не имеет значительного влияния, виду того, что интервал между сигнальным и целевым квадратами остается таким же, как и между первыми двумя (красными).
В третьем варианте теста было 3 красных квадрата, интервалы между которыми были абсолютно случайны в диапазоне 600…900 мс. Таким образом ритмичность появления всех квадратов сильно нарушается, соответственно, предугадать появление следующего очень сложно, мягко говоря. Предугадать же появление целевого квадрата становится невозможным.
Помимо этого, 25% проводимых тестов не имели целевого квадрата (зеленого) в конце последовательности, дабы избежать преждевременных ответов и, соответственно, сделать результаты более точными.
Сам процесс экспериментального тестирования испытуемых проводился в закрытом помещении с приглушенным освещением и без звуковых раздражителей. Тесты представлены были на обычном мониторе на сером фоне. Расстояние между монитором и испытуемым было 50 см.
В процессе эксперимента испытуемые совершали по 3 захода (по 1 для каждого из вариантов, описанных выше) из 32 тестов (16 с интервалами в 600 мс и 16 — в 900 мс). 25% из всех тестов в случайном порядке являлись «уловками», то есть не содержали целевого зеленого квадрата.
На мониторе высвечивалось сообщение об ошибке, если участник отвечал (нажимал на клавишу) до появления на мониторе целевого квадрата или во время «теста-уловки» (когда целевого квадрата нет вообще), а также при задержке ответа в 3 секунды.
Теперь, когда мы знаем, кто участвовал в испытаниях и как они проводились, нам следует ознакомиться с результатами.
Результаты эксперимента
Как не сложно догадаться, время реакции (RT) является самым основным показателям во время исследования результатов первых двух вариантов тестов (ритмического и одноинтервального). Этот показатель должен быть, по логике вещей, значительно выше в тесте со случайными интервалами.
Был проведен дисперсионный анализ RT всех 4 групп испытуемых. Почему 4 групп, спросите вы? Имеются ввиду следующие группы:
- CD — 11 человек;
- CD-matched (контрольная группа, соответствующая среднему возрасту группы CD) — 11 человек;
- PD — 12 человек;
- PD-matched (контрольная группа, соответствующая среднему возрасту группы PD) — 12 человек.
Результаты дисперсионного анализа данных экспериментов.
На графике А мы видим результаты подсчета RT для группы CD (люди с мозжечковой дегенерацией). Тут видна следующая особенность: скорость реакции участников тестов со случайными интервалами и одноинтервальным тестом очень схожи. В то время как RT ритмического теста значительно лучше. Контрольная группа (CD-matched) показала иную тенденцию. Скорость реакции при случайных интервалах была, как и ожидалось, самой большой. А вот другие два теста показали примерно одинаковые результаты.
Проще говоря, и группа CD, и соответствующая ей контрольная группа, обе отлично справились с тестом №1 (ритмический) и одинаково плохо с тестом №3 (случайным), что также вполне логично и было ожидаемо. Но вот в тесте №2 имеются значительные отличия. Люди, страдающие мозжечковой дегенерацией не смогли так же успешно справиться с одноинтервальным тестом, как и контрольная группа (люди без заболевания).
Сравнение результатов двух других групп: PD (с болезнью Паркинсона) и PD-matched (тот же средний возраст, что и у группы PD, но без заболевания) показал иные результаты. Так, удивительным является факт того, что группа PD справилась с тестом №2 (одноинтервальным) практически также хорошо, как и контрольная группа испытуемых. При этом тест №3 (случайный) показал, что и ожидалось, низкие результаты. Тест №1 же показал не только разницу между группой PD и соответствующей ей контрольной группой, но и разницу группы PD и группы CD. То есть, пациенты с болезнью Паркинсона показывают значительно худшие результаты, чем пациенты с мозжечковой дегенерацией.
Соотношение результатов анализа тестов всех групп мы можем видеть на графиках выше.
Более детальную информацию об исследовании и расчетах результатов тестов вы можете найти в докладе ученых и дополнительных материалах к нему.
Эпилог
Благодаря этому исследованию ученым удалось подтвердить факт того, что мозжечок и базальные ядра играют крайне важную роль в понимании того, как мозг человека способен предугадывать некоторые события, основываясь на опыте, характере повторяемости события и его периодичности. Анализ данных контрольных групп и испытуемых, страдающих от болезни Паркинсона только подтвердили теории, выдвинутые еще несколько лет назад.
Понимание работы головного мозга, даже таких, на первый взгляд, незначительных его характеристик, может стать подспорьем для диагностики различных неврологических заболеваний. Перспектива использования подобных опытов как базы для будущего изучение методов лечения еще очень туманна. Однако делая такие незначительные, но важные шаги, ученые приближаются к пониманию одного из самых неизведанных и самых сложных объектов в мире — человеческого мозга.
Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас оформив заказ или порекомендовав знакомым, 30% скидка для пользователей Хабра на уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5–2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps от $20 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).
VPS (KVM) E5–2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps до декабря бесплатно при оплате на срок от полугода, заказать можно тут.
Dell R730xd в 2 раза дешевле? Только у нас 2 х Intel Dodeca-Core Xeon E5–2650v4 128GB DDR4 6×480GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $249 в Нидерландах и США! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5–2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
