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

Для изучения процесса адаптации движения мы просили участников эксперимента переместить руку из одного положения в другое, держась за рукоятку роботизированной руки. Когда испытуемый протягивал руку, экспериментатор мешал ему, с помощью робота прикладывая силу в том или ином направлении. Таким образом, толкая руку испытуемого, мы превращали прямую и равномерную траекторию движения в искривленную и неравномерную[241]. Чтобы достичь цели за установленное время, испытуемый должен был научиться прилагать дополнительную силу, которая предвосхищала бы вмешательство робота и противодействовала ему. Примечательно, что здоровые взрослые люди обучались почти полностью устранять ошибки, вызванные силовым полем, всего за несколько десятков попыток.

Как нервной системе удается так быстро обучиться и внести необходимые изменения? Для ответа на этот вопрос полезно вспомнить, как мы учимся в обычной жизни: с помощью учителей. Решив научиться играть в баскетбол, мы берем уроки игры в баскетбол. А если хотим изучить иностранный язык, ищем преподавателя этого языка. Процесс обучения с преподавателем мы называем контролируемым обучением. Может ли контролируемое обучение использоваться для коррекции движений? Если да, то кто выступает в роли учителя? Хороший учитель — тот, кто уже умеет делать то, чему мы хотим научиться. Для коррекции движений хорошим учителем будет тот, кто знает, как устранить сенсорную ошибку, изменив последовательность активации мышц. К счастью, у здоровых людей такие учителя есть: это рефлексы.

Наши рефлексы — звенья цепи автоматического исправления ошибок, и они естественным образом дополняют карту преобразования ощущений в движение: обнаруживают сенсорную ошибку и быстро исправляют ее путем моторной реакции. Например, когда мы спотыкаемся, нарушение равновесия заставляет нас автоматически выставлять перед собой руки, чтобы смягчить возможное падение. Вероятно, всем знаком коленный рефлекс. Когда врач ударяет молоточком по надколенной связке, четырехглавая мышца бедра растягивается, и спинномозговые рефлексы мгновенно реагируют на это непроизвольное растяжение сокращением мышц, в результате чего нога выпрямляется. Такие же рефлексы растяжения мышц наблюдаются в руках, и их можно оценить в лабораторных условиях с помощью электромиографии — метода, который позволяет регистрировать электрическую активность в мышцах, чтобы точно измерить сигналы, управляющие перемещением рук в пространстве, как при осознанных, так и при рефлекторных движениях.

Вернемся к вопросу, связанному с адаптацией к силовому полю. Может быть, рефлексы, противодействующие внезапному силовому полю, также обучают мозг подаче более эффективных моторных команд в будущем? По всей видимости, так и происходит. Наблюдаемые на электромиограмме паттерны, которые наши рефлексы добавляют к нашим движениям при сопротивлении силовому полю, очень похожи на изменения, вносимые нами в будущие паттерны активации мышц. Другими словами, корректирующая мышечная активность во время одиночного движения, вероятно, определяет будущие изменения в моторном действии при следующем движении[242]. Например, при сокращении бицепса и расслаблении трицепса в ответ на действие силового поля наша моторная система, по всей видимости, включает эту корректирующую обратную связь в новую карту преобразования ощущений в движение — то есть мозг считает, что для достижения желаемой прямой траектории в будущем бицепс должен быть более активным, а трицепс менее активным, чем при первоначальном движении.

Подводя итог, можно сказать, что совершаемые нами движения на самом деле сложнее, чем кажутся: они предполагают сложные преобразования сенсорных прогнозов в моторные действия. Сами же преобразования постоянно обновляются по мере того, как мы больше узнаем о себе и о внешнем мире. Ошибки сенсорного предсказания, или несоответствие между тем, что мы ожидаем почувствовать после движения, и тем, что в итоге чувствуем, запускают процесс обучения. Мы рассмотрели этот процесс и пришли к выводу, что для совершенствования будущих движений наш мозг, по всей видимости, прибегает к подсказкам систем обучения, встроенных в спинной мозг: наших рефлексов.