Не баг, а фича: исследование моторики и мозговой активности человека с полидактилией
Тело человека можно сравнить с очень сложным механизмом, состоящим из множества отдельных систем, которые работают слаженно и своевременно для обеспечения жизнедеятельности. Можно сравнить и с программой, состоящей из тысяч строк кода, каждая из которых выполняет определенные функции. Но, и программисты не дадут мне соврать, в коде часто бывают ошибки или неточности. Одни приводят к неработоспособности программы или отдельной ее функции, другие становятся неожиданной фичей, дополняющей программу.
Сегодня мы с вами познакомимся с исследованием, в котором ученые решили детально рассмотреть моторику и нейромеханику человека, в программе которого имеется лишняя строка кода — полноценный шестой палец на каждой руке. Можно ли считать такое отклонение функционально полезным, есть ли у таких людей преимущества в моторике, и какие идеи в области протезирования возникли у исследователей? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых. Поехали.
Основа исследования
Прежде всего стоит коротенько рассмотреть что есть полидактилия. Как мы уже поняли, этот термин обозначает наличие у человека или животного (чаще у собак и котов) дополнительных пальцев на руках и/или ногах. Это анатомическое отклонение является наследственным. Примерно 2% новорожденных деток появляются на свет с лишним пальцем, 10% из них имеют лишний палец именно на верхней конечности. Ученые выяснили, что полидактилия начинает активно развиваться в течение 4 недель развития эмбриона, когда происходит активный рост конечностей. Основным источником полидактилии являются генетические мутации. На данный момент насчитано порядка 39 таких мутаций, связанных с формированием лишних пальцев. Также существует множество синдромов нарушения опорно-двигательного аппарата, в симптоматику которых входит полидактилия.
Упрощенная классификация полидактилии насчитывает 3 основные категории в зависимости от расположения лишнего пальца:
- радиальная (преаксиальная): удвоение сегментов первого пальца;
- центральная: удвоение второго-четвертого пальцев;
- ульнарная (постаксиальная): удвоение пятого пальца.
Помимо расположения полидактилия также делится на категории по структуре добавочного пальца/пальцев:
- полидактилия 1 типа: добавочные пальцы являются рудиментарными и состоят из кожи исключительно;
- полидактилия 2 типа: добавочные пальцы являются ответвлением основных;
- полидактилия 3 типа: добавочные пальцы являются полноценными (костная структура, нервы, суставы, кровоток, кожа и т.д.).
В рассматриваемом нами сегодня исследовании принимали участие 2 человека (17-летний парень и его 52-летняя мама), у которых полидактилия именно третьего типа (по 6 полноценных пальцев на обеих руках).
Ученые поставили перед собой ряд вопросов, на которые ранее никто особо не старался найти ответы: насколько хорошо мозг человека может справляться с дополнительными пальцами; работает ли дополнительный палец с мышцами и нервами основных или полноценно использует собственные; насколько независим дополнительный палец; как тело обладателя 6-ого пальца реагирует на его активность и есть ли дополнительная польза от 6-ого пальца? Вопросов много, ответов пока нет вообще, но ненадолго.
Демонстрация рук парня 17 лет, который принял участие в исследовании.
Забегая вперед, можно с уверенностью заявить, что мозг и нервная система в целом отлично справляются с управлением конечностями, имеющими по 6 пальцев. Кроме того, эти дополнительные пальцы позволяют своим владельцам выполнять определенные задачи одной рукой, когда человеку с 5-ю пальцами нужны две, и двумя, когда человеку с 5-ю пальцами нужны уже три руки. Другими словами, наша нервная система очень умна, уж простите за грубое утрирование. Наш мозг может управлять лишними пальцами не прилагая особых усилий, а это наталкивает ученых на мысли о протезах, дополняющих полноценные конечности. Звучит это очень футуристично и даже немного странно, но у ученых есть ряд вещественных доказательств как способностей мозга, так и преимуществ дополнительных пальцев.
Результаты исследования
Изображение №1: дополнительный палец у молодого человека находится между большим и указательным пальцами.
В первую очередь исследователи решили выяснить какие мышцы и нервы участвуют в моторике 6-ого пальца.
Как мы видим на снимке правой руки, у большого пальца 2 фаланги, у остальных пяти — по три фаланги (1а, 1b). Также видно, что анатомия четырех пальцев (указательный, средний, безымянный и мизинец) участника исследования аналогична анатомии человека без полидактилии. Сосудистая и нервная структуры большого пальца участника такие же, как у человека без полидактилии.
Отличия имеются в суставах большого пальца. Запястно-пястный сустав большого пальца имеет шарообразный вид (1d) с тремя степенями свободы, включая кручение, в то время как в обычном случае запястно-пястный сустав большого пальца представляет собой седло, которое не допускает кручения. Дополнительный палец (далее ДП) имеет седлообразный сустав (1e), два внешних сухожилия сгибателей и один внутренний разгибательный аппарат (1c) и дополнительные пальцевые нервы.
Суммируя, эта рука, обладающая шестью пальцами, управляется большим числом мышц и нервов, чем рука с пятью пальцами. То есть у дополнительного пальца имеются «выделенные» мышцы и нервы, и он не использует соседние основные пальцы для моторики.
Изображение №2
Далее исследователи провели анализ биомеханических характеристик пальцев с использованием специального устройства, позволяющего оценить силу нажатия того или иного пальца (2а).
Проведения теста силы пальцев.
Тесты показали, что сила всех пальцев у участников с 6-ю и 5-ю пальцами практически идентична (2b). На графиках 2с показано сравнение силы пальцев человека с 6-ю пальцами и человека с пятью пальцами. Помимо общей силы и силы отдельных пальцев ученые проанализировали такой показатель как взаимозависимость, когда один палец действует под руководством другого (попробуйте согнуть только безымянный палец, и посмотрите какие еще пальцы начнут немного сгибаться). Этот тест позволил оценить степень независимости дополнительного пальца (2d). Анализ показал практически полную независимость, однако была обнаружена небольшая кооперация дополнительного и большого пальцев. Другие же пальцы обладали той же зависимостью, что и у людей с пятью пальцами.
Демонстрация независимости дополнительного пальца.
После этих тестов было проведено МРТ исследование моторной коры головного мозга (участник теста постукивал определенным пальцем) для определения активности определенных участков при активности того или иного пальца.
Сравнение активности моторной коры показало, что активность дополнительного пальца в первичных сенсомоторных кортикальных слоях отличается от всех других пальцев и даже большого (2e). Таким образом было доказано, что моторикой ДП управляет выделенная область двигательной коры.
Следующий тест был еще любопытнее. Одна рука была закрыта градуированной сеткой. Испытуемые должны были в ответ на тактильный сигнал (прикосновение к спрятанной руке) указать на второй руке соответствующие точки прикосновения. Этот тест можно легко повторить в домашних условиях: спрячьте одну руку (например, левую) и пусть кто-то карандашом или ручкой легонько дотронется до кончика указательного пальца или любой другой точки, а вы должны, глядя на правую руку, сказать, где было касание. Такой тест позволяет определить насколько ментально человек осознает и представляет свое тело и его части.
На изображении 2f видно, что испытуемые полностью осознают все свои пальцы и воспринимают положение дополнительного пальца между большим и указательным.
Также исследователи провели более практические тесты, в которых участники должны были взаимодействовать с различными предметами или выполнять какие-то обычные действия. Таким образом можно было выяснить степень преимуществ или недостатков наличия дополнительного пальца.
Проверка моторики правой руки с шестью пальцами №1.
Проверка моторики правой руки с шестью пальцами №2.
Была использована точная система захвата движения для записи движений дистальных и проксимальных фаланг каждого пальца. Были обнаружены те же взаимозависимости между движениями пальцев (3а), что и в предыдущем биомеханическом тесте, предполагая, что подвижность и независимость ДП не уменьшаются во время манипуляции.
Изображение №3
Взаимозависимости между движениями пальцев сильно коррелировали между пятипалыми и шестипалыми руками для всех пальцев, кроме дополнительного. То есть дополнительный палец является абсолютно индивидуальным и самостоятельным.
Исследование кинематической синергии пальцев показало, что движения шестипалых рук обладают большей степенью свободы, чем у пятипалых рук (3b, 3c). Эти результаты были подтверждены теоретико-информационным анализом с учетом нелинейных соотношений (3d). Получается, что максимальная энтропия (вариативность) движений руки с шестью пальцами значительно выше, чем с пятью пальцами.
Также ученые отмечают, что дополнительный палец во время тестов перемещался в координации с большим и указательным пальцами вместе, а не с каждым из них по отдельности, или сам по себе (3e).
Из этих наблюдений следует вывод, что независимость дополнительного пальца это не замена указательному или большому, а проявление уникальной модели движения. Другими словами, эти тесты еще раз подтвердили полноценность моторики дополнительного пальца. Кроме того, дополнительным подтверждением этого утверждения также является и скорость моторики (3f) шестипалой руки, которая не уступала скорости руки с пятью пальцами.
Напоследок ученые решили поиграть в Guitar Hero, точнее в нечто подобное. Участники должны были нажимать на клавиши одним пальцем (каждому пальцу соответствовала отдельная клавиша), когда красный прямоугольник попадает в белое поле (3g). Скорость движения прямоугольников постепенно увеличивалась с каждым уровнем «игры». Время одного уровня составляло 2 минуты. После успешного завершения одного уровня начинался следующий, но более сложный.
Тест с клавишами.
Самым любопытным является подготовка к этому тесту: в течение 5 дней участники практиковались, используя одну правую руку (все 6 пальцев) или правую руку (5 пальцев) + 1 палец левой руки (3h).
В результате успешность прохождения уровней в обоих вариантах (1 рука / 6 пальцев и 2 руки / 5 + 1) была идентична, что доказывает, по словам ученых, фактическое преимущество 6 пальцев.
Обычные будничные дела (завязывание шнурков, набор текста и немного видео-игр) в исполнении парня с полидактилией.
Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.
Эпилог
Данное исследование может показаться немного несерьезным, однако оно отвечает на ряд вопросов, которые ранее никто не хотел задавать. Во-первых, теперь мы точно знаем, что наш мозг способен вполне успешно справляться с моторикой дополнительных конечностей, которых не должно быть. Во-вторых, некоторые анатомические аномалии могут иметь дополнительные преимущества. В-третьих, играть в Mortal Kombat с 17-летним участником исследования я бы не стал.
Конечно, результаты этого труда не говорят о том, что все анатомические аномалии могут обладать положительными сторонами, и от них нельзя избавляться на самых ранних этапах проявления. Многие люди, у которых была выявлена полидактилия, расстались с ней еще в младенчестве. И это правильное решение. При этом нельзя осуждать желание ученых понять принципы работы мозга и моторику рук людей, у которых дополнительные пальцы относятся к полидактилии третьего типа, то есть полностью сформированные и полноценные пальцы.
Сами исследователи очень воодушевленно говорят о своем труде и утверждают, что его результаты могут сподвигнуть научное сообщество к началу разработки дополняющих протезов, которые будут использоваться не как замена отсутствующей конечности, а как дополнительная. Что-то подобное уже было в фильме «Человек-паук 2» (2004), не правда ли. Остается надеяться, что дополнительные конечности не сведут с ума своего обладателя, и тот не начнет проводить смертельно опасные эксперименты с тритием.
В любом случае, мы можем сойтись в одном — неважно какие у человека есть физические недостатки, он остается человеком.
Небольшой сюжет BBC про семью, все члены которой обладают шестью пальцами на каждой руке. И это никак не мешает им быть счастливой, дружной и очень позитивно настроенной семьей.
Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и отличных всем выходных, ребята! :)
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).
Dell R730xd в 2 раза дешевле? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5–2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4×960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5–2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2×960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5–2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
