Нейробиологи из Немецкого центра приматов (DPZ) -Институт исследований приматов имени Лейбница в Геттингене разработали модель, которая может легко представить все планирование движения от наблюдения объекта до его захвата. Исчерпывающие нейронные и моторные данные экспериментов по захвату с двумя макаками-резус дали решающие результаты для разработки модели — искусственной нейронной сети, которая способна моделировать процессы и взаимодействия в мозге после тренировки с изображениями конкретных объектов. Нейронные данные из искусственной сетевой модели смогли объяснить сложные биологические данные из экспериментов на животных и, таким образом, доказать правильность функциональной модели. Это может быть использовано в долгосрочной перспективе для разработки лучших нейропротезов, например,
У макак- резусов , как и у людей, высокоразвитая нервная и зрительная система, а также ловкая моторика рук. По этой причине они особенно хорошо подходят для исследования хватательных движений. Из предыдущих исследований на макаках-резусах известно, что взаимодействие трех областей мозга отвечает за захват целевого объекта. Однако до сих пор не существовало детальной модели на нейронном уровне, которая бы представляла весь процесс от обработки визуальной информации до управления руками и мышцами кисти для захвата этого объекта.
Для разработки такой модели двух самцов макак-резусов обучили хватать 42 объекта разной формы и размера, которые им предъявлялись в случайном порядке. Обезьяны носили информационные перчатки, которые непрерывно записывали движения руки, кисти и пальцев. В эксперименте сначала кратковременно освещали объект, который нужно схватить, в то время как обезьяны смотрели на красную точку под соответствующим объектом и выполняли захватное движение с небольшой задержкой после мигающего сигнала. Эти условия предоставляют информацию о времени, в которое различные области мозга активны, чтобы генерировать хватательное движение и связанные с ним мышечные активации на основе визуальных сигналов.
Приматы умеют выполнять разные хватательные движения. На картинке показаны шесть различных предметов, которые были представлены обезьянам вместе с соответствующими типами захвата. Предоставлено: Стефан Шаффельхофер.
На следующем этапе изображения 42 объектов, снятые с точки зрения обезьян, были использованы для обучения искусственной нейронной сети, которая имитирует биологические процессы в мозге. Сетевая модель состояла из трех взаимосвязанных стадий, соответствующих трем областям коркового мозга обезьян, и обеспечивала значимое понимание динамики сетей мозга. После соответствующей тренировки на поведенческих данных обезьян сеть смогла отразить хватательные движения макак-резусов. Он может обрабатывать изображения узнаваемых объектов и воспроизводить динамику мышц, необходимую для точного захвата объектов.
Затем результаты, полученные с использованием модели искусственной сети, сравнивали с биологическими данными эксперимента на обезьянах. Оказалось, что нейронная динамика модели хорошо согласуется с нейронной динамикой корковых областей мозга обезьян. «Эта искусственная модель впервые биологически реалистично описывает обработку нейронов, когда они видят объект за объектом. «Распознавание, планирование действий и контроль мышц рук во время схватывания», — говорит Хансйорг Шербергер, руководитель лаборатории нейробиологии DPZ, и добавляет: «Эта модель способствует лучшему пониманию нейронных процессов в мозге и в долгосрочной перспективе. могут быть полезны для разработки более эффективных нейропротезов ».
Источник: