Учени за първи път свързаха електронно мозъците на двойки плъхове, давайки им възможност да комуникират директно, за да разрешават прости поведенчески пъзели.
В новопубликувано изследване, учени от университета Дюк излагат детайлно начинът, по който електронно са свързали мозъците на плъхове за първи път, позволявайки им дикектна комуникация при разрешаването на поведенчески пъзели.
Дърам, Северна Каролина – изследователи свързаха мозъците на двойки плъхове електронно за първи път, позволявайки им директна комуникация при разрешаването напрости поведенчески пъзели. При следващ тест тази връзка бе осъществена при две животни разделени на хиляди мили – едното в Дърам, Северна Каролина, а другото в Натал, Бразилия.
Резултатите от тези опити разкриват бъдещият потенциал за свързване на много умове, които да формират това, което изследователския екип нарича “органичен компютър”, и което може да позволи споделяне на информация от моторен и сензитивен характер между групи от животни. The study was published February 28, 2013, in the journal Scientific Reports.
“Наши предишни изследвания, включващи свързване на машина и мозък ни убедиха, че мозъкът на плъховете е много по-гъвкав отколкото сме предполагали.”, казва Мигел Никоелис, доктор на медицинските науки, главен автор на публикацията и професор по неврология в медицинския университет при Дюк. “В тези експерименти мозъкът на плъха се приспособяваше лесно, приемайки информация от външни на тялото му устройства и дори се научи да възприема невидима инфрачервена светлина, генерирана от изкуствен сензор. Въпросът който си зададохме беше: “Ако мозъкът е способен да възприема сигнали от изкуствени сензори, би ли било възможно също така да осъзнава информация подадена от сензорите на чуждо тяло?”
За да тестват тази хипотеза, учените първо тренирали двойки плъхове как да разрешат лесен проблем – да натиснат правилната ръчка, когато се включи индикаторната светлина над нея, награждавайки плъхът с глътка вода. След това свързали мозъците на две животни чрез внушителен брой микроелектроди, поставени в областта на кортекса, отговаряща за обработването на информацията свързана с двигателната дейност.
Един от двата гризача бил проектиран като “кодиращо” животно. То получавало визуално подсказване коя ръчка да натисне, за да получи като награда вода. Щом този плъх натиснел правилната ръчка, част от мозъчната му активност, кодираща поведенческите му решения бивала превърната в модел от електрически стимулации, доставени пряко в мозъка на втория плъх, познат като “декодиращо” животно.
Декодиращият плъх имал същите видове ръчки в неговата клетка, но не получил никаква визуална информация, за това коя да натисне, за да получи награда. Следователно натискането на правилната ръчка трябвало да се случи на базата на предадените сигнали от първия плъх посредством интерфейсът мозък-до-мозък.
След това, изследователите провели редица опити, за да установят колко добре се справя декодиращото животно в дешифрирането на мозъчния входящ сигнал от кодиращия плъх, за да избере правилната ръчка. Декодиращият плъх достигнал максимален успех от 70%, само малко под възможния максимум на успех от 78%, който изследователите предварително били изчислили на база на пряко изпращане на сигнали до мозъка на декодиращия плъх.
Важното е, че комуникацията осигурена от този интерфейс е двустранна. Например, кодиращият плъх не получавал цялостна награда, ако декодиращият плъх направел погрешен избор. Резултатът от тази особена ситуация, според Никоелис, довела до “поведенческо сътрудничество” между двойките плъхове.
“Ние видяхме, че когато декодиращият плъх правеше грешка, кодиращият буквално променяше мозъчните си функции, както и поведението си, за да улесни приемането на информацията от страна на партньора си”, казва Никоелис. “Кодиращото животно подобряваше съотношението на сигнал-звук на мозъчната активност, представляваща решението, така че сигналът ставаше по-чист и лесен за възприемане. Освен това правеше по-бързи и изчистени решения в изборът на правилната ръчка. Неизменно, когато кодиращият плъх правеше тези промени, декодиращият предприемаше правилното решение по-често, така че и двамата бяха награждавани.”
Във втората серия от експерименти, изследователите дресирали двойки плъхове да правят разлика между тесен или широк отвор, използвайки мустаците си. Ако отворът бил тесен, били научени да бутнат с нос канал за вода в лявата страна на клетката, за да получат награда, при широк отвор трябвало да бутнат канал в дясната страна.
Учените отново разделили плъховете на кодиращи и декодиращи. Декодиращите животни били научени да свързват определени стимулиращи импулси с правилен отговор отговарящ на левия канал за награди, а липсата на тези импулси с правилен отговор равен на десния канал за награди. В процеса на експериментите, в които кодиращият плъх установявал че отворът е широк и предавал изборът на декодиращото животно, то постигало успех в 65% от случаите, което доказва, че резултатът не е просто късмет.
За да проверят възможностите за пряката комуникация между мозъците, изследователите поставили кодиращ плъх в Бразилия, в Международния институт по неврология Едмънд и Лили Сафра в Натал (ELS-IINN), и предавали неговите мозъчни сигнали през интернет до декодиращ плъх в Дърам, Северна Каролин. В следствие на това, те установили, че двата плъха все още са способни да работят заедно по задачи, свързани с органите им за осезание.
“Въпреки че животните се намираха на различни континенти, въпреки шумът в сигнала и бавното му предаване, те все още можеха да комуникират”, казва Мигел Паи-Виейра, доктор, основен автор на изследването. “Това ни показва, че може би е възможно да създадем работеща мрежа от животински мозъци, разпръснати в различни локации.”
“Тези експерименти представиха възможностите за установяване на изтънчена, директна комуникативна връзка между мозъците на плъхове, както и това, че декодиращият мозък работи като устройство, разчитащо образци. Така че, всъщност ние създаваме органичен компютър, който разрешава пъзели”, споделя Николелис.
“Но в този случай ние не вкарваме инструкции, а само сигнал, който представлява решение, направено от кодиращия, което се предава до декодиращия мозък, който трябва да разгадае загатката. По този начин, ние създаваме единична централна нервна система, съставена от мозъците на два плъха”, продължава той. Николелис отбелязва, че теоретично такава система не се ограничава до двойки от мозъци, а може да представлява “мрежа от мозъци”. Изследователите от Дюк и ELS-IINN сега правят експерименти да свържат множество животни, за да разрешават по-сложни поведенчески задачи.
“Ние не можем да предвидим какви качества ще се проявят, когато животните започнат да си взаимодействат като част от мозъчна мрежа. На теория, комбинацията от различни мозъци може да доведе до решения, до които индивидуалният мозък не би могъл да достигне”, казва Николелис. Подобна връзка може дори да означава, че едно животно ще бъде способно да инкорпорира в себе си чуждо усещане за “аз”, казва той.
“Всъщност, изучаването на сензорния кортекс на декодиращото животно в тези експерименти показа, че в мозъкът на декодиращия плъх, в частта отговаряща за моторните функции, се представят не само личните мустаци на плъха, но и тези на кодиращият плъх. Засякохме неврони, които отговаряха и на двата вида мустаци, което означава, че плъхът е създал втора репрезентация на второ тяло над своето”. Основни изследвания на подобно приспособяване биха могли да доведат до ново поле, което Николелис нарича “неврофизиология на социално взаимодействие”.
Такива сложни експерименти биха били възможни в лабораторията, благодарение на способността да се записват мозъчни сигнали от почти 2,000 мозъчни клетки едновременно. Учените се надяват да запишат електрическата активност, произведена едновременно от 10 – 30,000 кортексови неврона в следващите пет години.
Подобен обеменен труд би направил възможен по-прецизния контрол върху двигателните невропротези – като тези, които се разработват от Walk Again Project (Проектът Ходи отново – бел.ред.) – за да възвърнат контрола на парализирани хора, казва Николелис.
Този проект наскоро получи субсидия на стойност 20 милиона долара от FINEP, бразилска агенция, която спонсорира изследователска дейност. Пари, с които ще бъде възможно развитието на първия цялостен екзоскелет, контролиран от мозъка, чиято цел е да възстанови подвижността на тежко парализирани пациенти. Първата демонстрация на тази технология е насрочена за откриването на Световното първенство по футбол през 2014 г. в Бразилия.
Освен споменатите Николелис и Паи-Виейра, други съавтори на изследването са Михаил Лебедев и Жинг Уанг от университета Дюк, както и Каролина Кюницки от ELS-IINN в Бразилия.
Изследването е било реализирано с подкрепата на Националния Здравен институт (R01DE011451), както и Националния институт за Умствено здраве (DP1MH099903), Фондация Вial, бразилската програма за националните институти по наука и технология, бразилския национален съвет за научно и технологично развитие и бразилските финансиращи агенции FINEP и FAPERN.
Publication: Miguel Pais-Vieira, et al., “A Brain-to-Brain Interface for Real-Time Sharing of Sensorimotor Information,” Scientific Reports 3, Article number: 1319 doi:10.1038/srep01319
Източник: nauka.bg