Мозговой трест. 39 ведущих нейробиологов – о том, что мы знаем и чего не знаем о мозге

Этому знанию можно найти практическое применение: когда на вечеринке официант подойдет к вам с подносом напитков, не берите бокал сами. Пусть официант возьмет бокал с подноса и даст его вам. Эксперимент иллюстрирует две важные особенности нервной системы. Во-первых, сенсорная информация (зрение и проприоцепция) поступает слишком медленно, чтобы мы могли эффективно управлять своим телом. Мы видим, как приятель протягивает руку, чтобы взять книгу с нашей ладони, но эта зрительная информация поступает в отделы мозга, планирующие движение, слишком поздно, чтобы ее можно было использовать для точного снижения мышечной активности, которая требуется для удержания книги. В результате этой задержки происходит перекомпенсация веса книги (теперь уже отсутствующей), и наша ладонь смещается вверх. Во-вторых, когда мы генерируем движение (собираемся взять книгу правой рукой), мозг прогнозирует сенсорные последствия движения еще до того, как оно начинает выполняться. В результате, когда мы берем книгу собственной рукой, мозг предвидит сенсорные последствия этого действия для левой руки и изменяет мышечную активность левой руки таким образом, чтобы компенсировать исчезновение веса книги. Прогнозирование сенсорных последствий моторных команд позволяет нам компенсировать сенсорные задержки, которые мешают управлять движениями[239].

Всем нам знакомы последствия неправильного планирования моторных действий: мы совершаем промахи. Если в примере с кофейной чашкой мозг не будет знать, как выполнить требуемое действие, ваша рука, скорее всего, опрокинет чашку, и ее содержимое выльется на стол. С точки зрения мозга тот факт, что вы опрокинули чашку вместо того, чтобы взять ее и сделать глоток, отражает несоответствие между реальным и прогнозируемым состоянием тела. В нейробиологии такое несоответствие называется ошибкой сенсорного прогноза. Оказывается, наш мозг непрерывно отслеживает эти ошибки и использует их для точной настройки моторного поведения, чтобы не повторять их в будущем. Этот процесс настолько важен для нашей биологии, что обучением на ошибках, по всей видимости, управляют специальные нейронные сети в нашем мозге. Один из проводящих путей, участвующих в исправлении ошибок, задействует мозжечок[240]. При возникновении ошибки сенсорного прогноза мозжечок получает информацию в виде электрических сигналов от нижней оливы — отдела в продолговатом мозге. Эти сигналы об ошибке мозжечок использует для предсказания и исправления ошибок в будущем.

Почему процесс обучения на ошибках встроен в физическую структуру нашей нервной системы? Один из ответов на этот вопрос связан с самой природой развития. В процессе развития мозг должен учиться понимать тело и внешний мир, чтобы составлять карты преобразования ощущений в движения, которые позволят нам точно, аккуратно и плавно перемещаться в пространстве с учетом воспринимаемых стимулов окружающей среды. Эти карты преобразования ощущений в движения требуют постоянного обновления в разных временных масштабах. В долгосрочной перспективе мозг должен научиться корректировать наши движения в ответ на один и тот же стимул, поскольку меняется наше тело — например, рост, вес и сила мышц. За короткие периоды времени мозг должен учиться менять моторные действия в ответ на усталость или на изменения внешней среды, например при переходе от движения в воде к движению по суше. Неспособность поддерживать и обновлять карты существенно снижает точность движений. Так, пациенты с некоторыми нарушениями работы мозжечка (с так называемой мозжечковой атаксией) испытывают большие трудности с выполнением почти всех осознанных движений: они не могут протянуть руку, говорить, оглядываться, ходить. В некоторых случаях эти нарушения приводят к тому, что пациент оказывается в инвалидном кресле.

Нейробиологи, изучающие моторное научение, полагают, что ключ к пониманию двигательных расстройств, таких как мозжечковая атаксия, — исследование того, каким образом мозг обновляет карты преобразования ощущений в движения; иными словами, нужно понять, как мозг использует ошибки сенсорного прогноза, чтобы исправлять ошибки движения в будущем. За несколько десятилетий ученые, работающие в этой области, разработали хитроумные протоколы экспериментов, которые позволяют исследователям тщательно контролировать ошибки, совершаемые испытуемыми, и точно оценивать, как те впоследствии корректируют свои движения. Один из этих протоколов, известный как адаптация протягивания руки, нацелен на изучение того, как люди учатся корректировать протягивание руки — то есть как им удается не опрокидывать чашки с кофе.