Дополнительный палец изменил представление руки в мозге

Ношение искусственного шестого пальца на руке на протяжении некоторого времени влияет на представление пальцев в моторной коре мозга, показали исследователи из Великобритании. Они попросили людей несколько дней носить и пользоваться управляемым дополнительным большим пальцем руки и отследили активность моторной коры до и после этого с помощью фМРТ. Выяснилось, что после нескольких дней ношения устройства паттерны мозговой активности в моторной коре, ассоциированные с каждым пальцем, стали более похожи друг на друга, но эти изменения обратимы. Статья опубликована в Science Robotics.

Большинство электромеханических искусственных конечностей — это протезы рук и ног, которые люди утратили вследствие травм или заболеваний. В этой области ключевую роль играют технические разработки, улучшающие характеристики протезов. В то же время есть и другое направление: расширение возможностей человеческого тела при помощи дополнительных искусственных конечностей. Эта область довольно мала сама по себе, и еще меньше в ней работ, сконцентрированных не на конструировании новых электромеханических рук или ног, а на изучении того, как мозг воспринимает новые части тела, которыми он ранее никогда не управлял. В то же время знать то, как мозг способен адаптироваться в таких условиях, важно для создания дополнительных конечностей, применимых на практике и в течение длительного времени, а не в лабораторных условиях.

В 2017 году Дэниэль Клод (Danielle Clode) разработала дополнительный большой палец руки, согнуть который можно, нажав пальцем ноги на датчик в ботинке. На тот момент палец был дипломным проектом Клод в Королевском колледже искусств в Лондоне. Позже Тамар Макин (Tamar Makin) из Университетского колледжа Лондона, специализирующаяся на исследованиях представления частей тела в мозге, пригласила Клод для изучения влияния разработанного ей пальца на это представление. Исследования показывают, что с ранних этапов развития в мозгу формируется четкое представление руки и отдельных пальцев. Макин с коллегами решила провести эксперименты, замерив паттерны активности моторной коры, ассоциированные с движением пальцев, до, во время и после относительно длительного использования нового пальца.

Сам палец крепится на руку напротив большого пальца и состоит из трех сегментов. Вместе с ним на запястье надевается браслет с двумя электромоторами, натягивающими тросы, и тем самым двигающими палец. У него есть две степени свободы: палец можно сгибать и поворачивать. Клод выбрала для управления дополнительным пальцем руки пальцы ноги — под большими пальцами расположено два датчика давления, один из которых отвечает за сгибание, а второй управляет поворотом. Эта схема оставляет руки свободными и в целом хорошо зарекомендовала себя, но имеет и недостаток, связанный с тем, что пальцем нельзя управлять во время ходьбы.

Исследователи пригласили 36 добровольцев-правшей (24 в основной группе и 12 в контрольной, которая носила неуправляемый палец). На протяжении примерно недели (от семи до девяти дней) добровольцы участвовали в восьми экспериментальных сессиях. Сначала каждый из них в течение одного часа носил дополнительный палец, привыкая к нему, изучая принцип управления и слушая инструкции по следующим этапам эксперимента. Затем проводилась четырехчасовая сессия с заданиями и фМРТ-сканированием. В пять последующих дней добровольцы по два часа в день выполняли различные задания, например, поднимали и переставляли предметы, держали рукой стакан и одновременно доставали из него той же рукой при помощи ложки предметы и так далее. После этого проводился еще один четырехчасовой эксперимент и еще одно фМРТ-сканирование.

Уже в процессе исследования авторы решили провести еще одно сканирование через 7-10 дней после окончания экспериментов, но им удалось привлечь только 12 участников.

За время экспериментов добровольцы освоились с управлением устройством и стали быстрее выполнять все задания. Также авторы проверяли привыкание к новому пальцу, попросив участников поочередно сомкнуть новый палец с настоящими с открытыми и закрытыми глазами. В этом задании также наблюдалось улучшение контроля по мере проведения экспериментов. Во время одного из заданий добровольцев просили выполнять задания пальцами (своими и дополнительным) и одновременно выполнять арифметические вычисления — тем самым исследователи проверяли, как повышенная когнитивная нагрузка сказывается на управлении. Оказалось, что она никак не сказывалась и участники выполняли задачи рукой все также эффективно.

Исследователи обнаружили, что у группы с управляемым пальцем по сравнению с группой контроля снизились кинематические синергии движений, то есть движения стали сложнее и для их описания необходимо больше компонентов, а движения отдельных пальцев стали менее коррелирующими между собой. Изменения в скоординированности движений пальцев подкрепили результаты фМРТ-сканирования.

Из-за металлических частей в пальце добровольцы не надевали его в томографе. В качестве контроля ученые использовали активность области моторной коры, активирующуюся при работе левой руки (устройство носили на правой). Во время сканирования участники поочередно двигали отдельными пальцами. Результаты показали, что у группы, управлявшей пальцем во время эксперимента, паттерны активности моторной коры, ассоциированные с движением конкретных пальцев, стали меньше различаться между собой. При этом на левой руке такого эффекта не было. Исследование через несколько дней после эксперимента показало, что сокращение различия между представлениями пальцев стало частично восстанавливаться.

Изменение представления пальцев по результатам фМРТ

Исследователи отмечают, что результаты показывают возможность успешной интеграции новой конечности. Вместе с этим они отметили, что необходимо тщательнее исследовать восстановление представления пальцев после того, как человек перестал пользоваться устройством.