Как мозг реагирует на виртуальную реальность?

Нейрофизики Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе продолжают изучать работу мозга в условиях виртуальной реальности. Не так давно они выяснили, что нейроны мозга, отвечающие за картографирование пространства, реагируют на виртуальную реальность не так, как на реальные условия. Выводы ученых могут быть важными для людей, которые используют виртуальную реальность для игр, военных тренажеров, коммерческих, научных целей и других назначений.

    «Картина активности области мозга, участвующей в пространственном ориентировании в виртуальном мире, совершенно другая, нежели при обработке активности в реальном мире, — рассказал Маянк Мета, профессор физики, неврологии и нейробиологии Калифорнийского университета, ведущий автор работы. — Поскольку все больше людей используют виртуальную реальность, важно понять, почему имеет место такая большая разница».

Ученые изучали гиппокамп, область мозга, вовлеченную в такие заболевания, как Альцгеймер, инсульт, депрессия, шизофрения, эпилепсия и ПТСР. Гиппокамп также играет важную роль в формировании новых воспоминаний и создании ментальных карт пространства. К примеру, когда человек исследует комнату, нейроны гиппокампа становятся избирательно активными, создавая «когнитивную карту» окружающей среды.

Механизм, посредством которого мозг создает такие когнитивные карты, остается загадкой, но неврологи предполагают, что гиппокамп вычисляет расстояние между субъектом и окружающими достопримечательностями, к примеру, зданиями и горами. Другие сигналы вроде запахов и звуков также могут помочь мозгу определить дистанции до объектов.

Чтобы проверить, может ли гиппокамп фактически образовать пространственную карту только по визуальным ориентирам, команда Мета разработала неинвазивную среду виртуальной реальности и изучила, как нейроны гиппокампа в мозге крыс реагировали на виртуальный мир, не имея возможности использовать запахи и звуки в качестве сигналов.

Ученые помещали крыс на беговую дорожку в окружении «виртуального мира» на больших видеоэкранах — такое погружение было еще более мощным, нежели IMAX — и в тихой темной комнате. Затем замеряли поведение крыс и активность сотен нейронов гиппокампа. Также предметом измерений было поведение крыс и нейронная активность, когда те двигались в реальной комнате, которая выглядела в точности как виртуальная.

Ученые с удивлением обнаружили, что результаты виртуальной и реальной среды были совершенно разными. В виртуальном мире нейроны гиппокампа крыс срабатывали совершенно случайно, будто не имели ни малейшего представления, где находились крысы — хотя сами крысы вели себя совершенно нормально в реальном и виртуальном мирах.

    «Карта» полностью исчезла, — рассказал Мета. — Никто этого не ожидал. Активность нейронов случайным образом определяла положение крыс в виртуальном мире».

Захра Агаджан, аспирант Калифорнийского университета и тоже автор работы, рассказал следующее: «Тщательный математический анализ показал, что нейроны в виртуальном мире рассчитывали дистанцию, которую проходили крысы, независимо от того, где они находились в виртуальном пространстве».

Также ученые были шокированы, обнаружив, что хотя нейроны гиппокампа крыс были очень активны в реальной среде, более половины их отключилось в виртуальной среде. Виртуальный мир, используемый в исследовании, был очень похож на среду виртуальной реальности, используемую людьми, и нейроны в мозге крыс было бы очень трудно отличить от нейронов человеческого мозга, говорит Мета. «Нейронная модель в виртуальной реальности существенно отличается от картины активности в реальном мире. Нам нужно в полной мере понять, как виртуальная реальность влияет на мозг».


В дополнение к анализу активность отдельных нейронов, команда Мета изучила крупные группы клеток мозга. Предыдущее исследование показало, что группа нейронов создает сложную картину, используя ритмы головного мозга.

    «Эти сложные ритмы имеют решающее значение для обучения и памяти, но мы не можем услышать или увидеть эти ритмы у себя в голове. Они скрыты от нас, — говорит Мета. — Сложная картина, которую они создают, не поддается интерпретации человеком. Нейроны в этом регионе, ответственном за память, общаются друг с другом, используя два совершенно разных языка одновременно. Один язык основан на ритме, другой на интенсивности».

Мета говорит, что каждый нейрон в гиппокампе говорит на двух языках одновременно, сравнивая это явление с множеством одновременно звучащих мелодий в фуге Баха. Ученые говорят, что в виртуальной среде язык ритмов обладает похожей структурой того, что есть в реальном мире, даже если сообщает что-то принципиально разное в каждом из миров. Однако язык, основанный на интенсивности, полностью разрушается.

Когда люди идут пешком или пытаются что-то вспомнить, активность гиппокампа становится очень ритмичной, и возникает сложная картина ритмов, говорит Мета. Эти ритмы способствуют формированию воспоминаний и нашей способности вызывать их. Мета предполагает, что у некоторых людей с расстройствами памяти эти ритмы нарушены.

    «Нейроны, участвующие в памяти, взаимодействуют с другими частями гиппокампа как оркестр, — говорит Мета. — Даже если каждый скрипач и каждый трубач будет играть свою партию безупречно, они должны быть идеально синхронизированы».

Мета считает, что перестраивая и синхронизируя эти ритмы, врачи смогут восстанавливать поврежденную память, но это будет очень нелегко. Нейроны и синапсы — соединения между нейронами — остаются невероятно сложными машинами.

Любые эксперименты ученые проводят на крысах, потому что на людях такие исследования проводить невозможно и неэтично — во всяком случае, на данный момент.