Нейронные механизмы коры головного мозга, отвечающие за моторный контроль, стали объектом исследований в области нейронаук. С момента открытия моторной коры более ста лет назад знания в этой области все еще остаются поверхностными, и множество вопросов остается без ответа: кодирует ли моторная кора активность мышц или параметры движения, и каким образом? На сегодняшний день дебаты о механизмах моторной коры в контроле движения тела продолжаются, и согласия не было достигнуто.
Ходьба является основным средством передвижения человека и одной из самых распространенных активностей в повседневной жизни. Пациенты, страдающие от различных неврологических заболеваний, включая инсульт, болезнь Паркинсона и склероз, часто демонстрируют аномальные походки по сравнению со здоровыми людьми.
Мозг-компьютерные интерфейсы (BCI) привлекли большое внимание в последние годы, чтобы помочь пациентам с параличом вернуть функции движения, ощущение прикосновения и способности ввода текста (рисунки 1 и 2). Клинические BCI требуют строгой верификации и валидации (V&V) перед тем, как они будут протестированы на людях. Из-за их сходства с человеком другие нечеловеческие приматы широко используются в качестве животной модели для неврологических исследований, включая верификацию и валидацию BCI.
Рисунок 1. Имплантат интерфейса "мозг-компьютер" помогает парализованным пациентам.
Top: Пациент управляет роботизированной рукой.
Bottom: Пациент вводит текст с помощью мысленного письма.
Рисунок 2. Neuralink Илона Маска проводит исследование походки.
Top: Эксперимент с захватом движения на экспериментальной свинье с имплантом BCI.
Bottom: Кинематические данные, собранные вместе с нейронными данными коры и спинного мозга.
В силу технических ограничений, большинство исследований по BCI на животных в прошлом полагалось на проводные системы нейронной записи для сбора нейрофизиологических данных. Однако беспроводные системы нейронной записи для имплантируемых BCI у приматов сделали возможным изучение неврологии походки у макак-резусов, хотя и представляют собой множество технических сложностей, включая плохое качество сигнала, пропускную способность данных и расстояние передачи, а также ограничения по размеру устройства и источникам питания, которые еще предстоит решить.
Кроме того, система захвата движения с высокой специальной точностью играет важную роль в исследованиях BCI и походки. Современные исследования в основном полагаются на системы захвата движения, основанные на обработке изображений, которые не обеспечивают необходимой точности для точного сбора данных.
Понимание роли моторной коры в моторном контроле стало основным направлением исследований за последние десятилетия. Существует две основные точки зрения относительно неврологии моторного контроля (Shenoy et al., 2013): некоторые утверждают, что моторная кора кодирует параметры движения более высокого порядка, такие как конечные позиции конечностей; другие утверждают, что моторная кора кодирует конкретные сокращения мышц для достижения желаемого движения. Во время движения рук у неродственных приматов (NHP) была обнаружена популяция корковых нейронов, которая была сильно связана с направлением движения (Georgopoulos et al., 1986). Wessberg et al. (2000) подтвердили эти выводы и использовали популяцию корковых нейронов для управления протезом. С тех пор было предложено десятки методов для моделирования взаимосвязи между моторной функцией и нейронной активностью. Некоторые примеры включают линейные фильтры Винера (Wessberg et al., 2000; Carmena et al., 2003), анализ главных компонент (PCA) (Churchland et al., 2012), фильтрацию Калмана (Wu et al., 2002; Li et al., 2009) и нейронные сети долгой и короткой памяти (LSTM) (Tseng et al., 2019; Glaser et al., 2020).
Даже тогда движения, необходимые для ходьбы, сильно отличаются от простых движений руками. Исследования также показали, что моторная кора контролирует ходьбу и движения рук по-разному (Xing et al., 2019). Дрю (1988), изучая кошек, обнаружил, что нейроны в моторной коре контролируют мышцы-сгибатели при ходьбе четвероногих. В другом исследовании на мышах было установлено, что выход моторной коры значительно отличается при ходьбе на беговой дорожке и при движениях к объекту (Miri et al., 2017). Тем временем Яковенко и Дрю (2015) предположили, что моторная кора играет схожую роль в растягивающих и ходьбовых движениях. Эти противоречивые выводы указывают на пробел в понимании роли моторной коры во время ходьбы, особенно из-за недостатка доказательств от модели нечеловеческих приматов.
Таким образом, будущее исследование BCI и походки должно одновременно получать нейронные сигналы и кинематические сигналы с высокой скоростью и высокой точностью, чтобы продвинуть неврология исследований. Команда нейронной инженерии чипа «Мозг-компьютер» в Университете Хайнан разработала эксперимент по свободной походке на макаках. Этот эксперимент основывался на высокоточной инфракрасной системе захвата движения NOKOV Mars 4H и беспроводном импланте BCI.
Рисунок 3. Схема эксперимента по изучению походки свободно движущегося макак.
Платформа для экспериментов с gait (передвижением) свободно движущихся макак использует инфракрасную систему захвата движения NOKOV, беспроводную систему нейронной записи, беспроводную систему сбора миоэлектрических данных и трехмерный динамометрический тредмил. Она одновременно собирает сигналы от кортикальных нейронов, данные электромиографии, данные о суставном моменте и другие кинематические параметры. Эти данные могут представлять собой информацию, закодированную в коре, которая может быть использована для изучения регулирования передвижения.
Библиография:
Room820, China Minmetals Tower, район Чаоян, Пекин
info@nokov.cn
+ 86-10-64922321
