Ученые разрешили многолетний спор о зеркальных нейронах головного мозга

Фото из открытых источников

Новое исследование, опубликованное в журнале Science Advances, предоставляет доказательства того, что особые клетки мозга, называемые зеркальными нейронами, отслеживают непрерывные физические движения действий, а не только конечную цель. Результаты показывают, что мозг использует динамическую, общую сеть нейронов, чтобы понимать, что делают другие, сопоставляя их движения с нашими собственными внутренними планами.

Премоторная кора — это область в передней части головного мозга, которая помогает планировать и координировать физические движения. В этой области определенные клетки мозга активируются как тогда, когда животное выполняет действие, так и когда оно наблюдает за тем, как кто-то другой выполняет то же действие. Эти особые клетки известны как зеркальные нейроны.

С момента их открытия эксперты спорят о том, какую именно информацию представляют эти клетки. Некоторые ученые предполагают, что зеркальные нейроны фокусируются на абстрактной цели действия, например, на захвате объекта, чтобы съесть его или переместить. Эта точка зрения предполагает, что мозг заинтересован в конечном результате, а не в физических усилиях, необходимых для его достижения.

Соавтор исследования профессор Василис Раос из Медицинской школы Критского университета отметил, что предыдущие исследования предлагали противоречивое представление о том, как эти клетки согласуют действия. «В то же время, „цель“, которую, как утверждается, кодируют эти нейроны, была определена расплывчато, и существует ограниченное количество прямых доказательств того, что именно они представляют», — сказал Раос. «Поэтому мы вернулись к важной возможности, которая не была должным образом проверена: что активность зеркальных нейронов отражает детальную кинематику, то есть то, как движение разворачивается в пространстве и времени, как во время выполнения действия, так и во время наблюдения».

Раос объяснил, что эта идея получила развитие после того, как предыдущая работа его команды показала, что зеркальные нейроны реагируют на действия, не связанные с объектами. «Эта возможность стала особенно правдоподобной после того, как наше предыдущее исследование показало, что подавляющее большинство зеркальных нейронов также реагируют на наблюдение за нетранзитивными, или не направленными на объекты, действиями, а не только на транзитивные, направленные на объекты действия», — сказал он.

Другие ученые предполагают, что эти клетки кодируют конкретный статический захват, например, сильный щипок или широкий захват всей кистью. Еще одна возможность заключается в том, что зеркальные нейроны отслеживают кинематику действия. Кинематика относится к непрерывным физическим деталям движения, которое происходит в пространстве и времени. Это включает в себя скорость, направление движения руки и изменение формы кисти при попытке дотянуться до объекта.

В предыдущих исследованиях часто изучалась активность отдельных зеркальных нейронов в отрыве от контекста. Авторы нового исследования применили другой подход, изучив популяции нейронов. Они хотели выяснить, изменяется ли общая картина мозговой активности динамически по мере развития действия, а не просто сигнализирует об одной статичной концепции, такой как конечная цель.

«Основываясь на предположении, выдвинутом нами в предыдущем исследовании, мы ожидали, что очевидное несоответствие между выполнением и наблюдением на уровне отдельных зеркальных нейронов будет совместимо с систематическим соответствием на уровне популяции», — сказал Раос. «Мы также предсказали, что активность зеркальных нейронов будет модулироваться кинематикой движения, и наши результаты подтвердили оба предсказания».

Чтобы получить полную картину этой области мозга, исследователи также решили изучить незеркальные нейроны. Включив в анализ клетки, которые активируются только во время физического движения, они смогли определить, является ли способность отслеживать детали движения уникальной для зеркальных нейронов или это более широкая особенность всей двигательной области.

Чтобы проверить эти идеи, исследователи записали электрическую активность 433 нейронов в премоторной коре двух макак. Обезьяны выполняли задание на протягивание руки и захват, разработанное для проверки различных форм кистей. В ходе выполнения эксперимента обезьяны протягивали руки и захватывали четыре разных трехмерных объекта.

В число этих предметов входили сфера, цилиндр, кольцо и небольшой куб. Для захвата каждого предмета обезьяне требовался определенный способ удержания. Сфера требовала захвата всей кистью, а небольшой куб — ​​высокоточного захвата кончиками указательного и большого пальцев. Обезьян обучали захватывать эти предметы последовательно и плавно.

В ходе наблюдательной части эксперимента обезьяны просто сидели неподвижно. Они наблюдали за тем, как экспериментатор-человек выполнял точно такие же действия по протягиванию и захвату предметов. Исследователи использовали систему видеонаблюдения, чтобы убедиться, что обезьяны наблюдают за происходящим.

Из общего числа зарегистрированных клеток 285 активировались как во время выполнения задачи, так и во время задачи наблюдения. Исследователи классифицировали их как зеркальные нейроны. Еще 148 клеток активировались только тогда, когда обезьяна фактически выполняла действие. Ученые классифицировали их как незеркальные нейроны.

Для основного статистического анализа команда сосредоточилась на суженных наборах данных, включающих 240 зеркальных нейронов и 129 незеркальных нейронов, для которых было зарегистрировано достаточное количество экспериментов для точного математического тестирования. В отдельных сессиях исследователи использовали трехмерную систему захвата движений для записи физических движений обезьян и экспериментатора. Они отслеживали определенные точки на указательном пальце, большом пальце и запястье. Это оборудование позволило им измерить точную скорость, положение и изменение расстояния между пальцами в течение действия.

Ученые обнаружили, что информация о типе захвата широко распределена по популяции зеркальных нейронов. Вместо того чтобы один нейрон поддерживал постоянный сигнал на протяжении всего действия, разные нейроны активировались на разных этапах движения. Эта изменяющаяся активность указывает на то, что мозг использует динамически меняющийся ансамбль клеток для представления действия в момент его совершения.

Затем исследователи сравнили паттерны мозговой активности, когда обезьяны выполняли действие, с теми, когда они просто наблюдали за ним. На уровне отдельных клеток мозга паттерны активности редко идеально совпадали между выполнением действия и наблюдением. Однако, когда исследователи проанализировали активность всей популяции клеток вместе, выявилась частично общая нейронная структура.

Эта общая структура означает, что паттерны мозговой активности во время наблюдения значительно перекрывались с паттернами во время выполнения. Перекрытие активности было наиболее выраженным в середине движения руки и в конце движения захвата. Нейронные популяции, как правило, наиболее сильно выравниваются, когда действие достигает своих наиболее сложных физических стадий.

Популяция зеркальных нейронов также точно отслеживала непрерывную кинематику захвата. Нейронная активность систематически соответствовала скорости, положению запястья и расположению пальцев по мере движения руки к объекту. Изучив математические модели мозговой активности, исследователи смогли успешно предсказать физическое движение руки.

Это предсказание сработало и в обратном направлении. Исследователи смогли использовать данные отслеживания физических движений для точного прогнозирования паттернов нейронной активности. Эта двусторонняя взаимосвязь наблюдалась как для собственных движений обезьян, так и для наблюдаемых движений экспериментатора.

«Наши результаты показывают, что зеркальные нейроны действительно «зеркально отражают» друг друга, но это соответствие становится наиболее очевидным, когда мы изучаем паттерны активности в популяциях нейронов, а не ожидаем, что отдельные нейроны будут реагировать одинаково во время выполнения действия и наблюдения», — сказал Раос. «Эти популяции несут подробную информацию о том, как действие разворачивается во времени».

Он отметил, что отслеживание движения не означает, что мозг игнорирует конечную цель. «Важно отметить, что чувствительность к кинематике движения не противоречит идее о том, что зеркальные нейроны кодируют цели действий», — объяснил Раос. «Исследования кинематики движения показывают, что намерения и цели выражаются в самом движении, поэтому мозг может сделать вывод о том, чего пытается достичь другой человек, анализируя его движения».

Считывая эти постоянно меняющиеся физические детали, мозг может расшифровать более глубокие намерения. «Наши результаты показывают, что зеркальные нейроны обладают свойствами, необходимыми для поддержки этого процесса, преодолевая разрыв между тем, как выполняется действие, и тем, почему оно выполняется», — сказал Раос.

Ученые обнаружили, что незеркальные нейроны также демонстрируют сильную связь с физической кинематикой захватов. Подобно зеркальным нейронам, эта группа клеток отслеживала текущие физические детали движений обезьян. Это открытие свидетельствует о том, что непрерывное отслеживание структуры движения является общей чертой различных типов клеток в премоторной коре.

Совпадение мозговой активности между наблюдением и выполнением действия не было полностью симметричным. Статистические модели, обученные на мозговой активности во время наблюдения, успешно предсказывали физические движения обезьян во время выполнения действия. Модели, обученные на данных о выполнении действия, не так хорошо обобщали результаты и не позволяли предсказывать наблюдаемые движения человека. Эта асимметрия предполагает, что выполнение действия включает в себя дополнительные, специфические нейронные процессы, выходящие за рамки тех, которые наблюдаются просто при наблюдении за действием.

«Наши результаты не следует интерпретировать как доказательство того, что зеркальные нейроны являются лишь анализаторами кинематики движений или что их роль ограничивается обнаружением параметров движения», — предостерег Раос. «Наше исследование выявляет информацию, которая систематически присутствует в их активности, но оно не устанавливает их полную функциональную или причинно-следственную роль в понимании других».

Вместо этого Раос предполагает, что это физическое отслеживание является частью более крупной системы. «Кинематическая информация может вносить вклад в более широкий двигательный процесс, который связывает наблюдаемые действия с собственным двигательным репертуаром человека, помогая преодолеть разрыв между движениями, которые мы видим, и двигательными актами и целями, которые они выражают», — сказал он.

Следует отметить несколько ограничений данного исследования. Записи были сделаны из определенной области мозга макак, выполнявших строго контролируемые и повторяющиеся действия. «Поскольку наш эксперимент был сосредоточен на контролируемых действиях захвата, потребуются дальнейшие исследования, чтобы понять, как этот процесс работает во время более насыщенного и естественного социального поведения», — отметил Раос.

Ученые регистрировали активность нейронов в отдельных сессиях, а затем математически объединяли полученные данные для оценки общей активности популяции. Из-за этого им не удалось зафиксировать взаимодействие всех отдельных клеток мозга друг с другом в один и тот же момент.

Экспериментальная схема также не предусматривала полного разделения визуальной формы объекта от физического захвата, используемого для его удержания. Обезьяны всегда использовали определенный, назначенный захват для каждого конкретного объекта. Такая организация эксперимента затрудняет полное исключение возможности того, что клетки мозга частично реагировали на визуальную идентичность объектов, а не только на кинематику руки.

«В этом исследовании мы сосредоточились в первую очередь на том, какая информация закодирована в премоторной нейронной активности», — сказал Раос. «Наша следующая цель — исследовать, когда и как возникают эти представления, в частности, как их временная динамика зависит от контекста, в котором происходит действие».

Чтобы преодолеть ограничение, связанное с различием между объектом и захватом, команда планирует скорректировать будущие эксперименты. «Мы также хотели бы разделить вклад наблюдаемого действия и задействованного объекта, манипулируя ими независимо, что позволит нам определить, как каждый из них влияет на активность, определяемую наблюдением», — сказал Раос.