После недели полетов с виртуальными крыльями мозг начал считать их частью тела: как VR переписывает нейронные связи

Исследователи из Пекинского университета продемонстрировали, что визуальное восприятие собственного тела в человеческом мозге не ограничено анатомией, заданной эволюцией. Если человек получает возможность управлять виртуальными крыльями в реалистичной физической симуляции, его мозг перестраивает нейронные связи. В результате нервная система начинает обрабатывать информацию об этих искусственных придатках так же, как она обрабатывает данные о собственных руках.

Результаты этого эксперимента были опубликованы в научном журнале Cell Reports.

Проблема восприятия собственного тела

В коре головного мозга человека существует затылочно-височная область. Одна из ее главных функций — визуальное распознавание человеческого тела и его отдельных частей. Десятилетиями в нейробиологии доминировала теория, согласно которой работа этой области обусловлена биологическим строением нашего вида и повседневным зрительным опытом. Человек каждый день видит свои руки, ноги и туловище, поэтому мозг формирует для них четкие нейронные представления.

Тем не менее, ученые давно знают, что мозг обладает нейропластичностью — способностью меняться под воздействием нового опыта. Например, при долгом использовании трости или сложного ручного инструмента мозг учитывает их габариты при движении. Однако инструмент всегда остается для нервной системы внешним объектом. Мозг человека осознает, что предмет находится в руке, но не считает предмет самой рукой.

Китайские исследователи поставили задачу выяснить, существует ли предел у этой нейропластичности. Они решили проверить, может ли человеческий мозг полностью интегрировать в свою систему восприятия совершенно новый орган, которого у людей никогда не было, и признать его полноценной частью тела.

Организация эксперимента: физика виртуального полета

Для проведения эксперимента ученые использовали технологии виртуальной реальности. Они разработали специальную программу, которая имитировала физику полета. В исследовании приняли участие 25 добровольцев.

Процесс обучения состоял из четырех сеансов, распределенных на семь дней. На руки участников крепились высокоточные датчики захвата движений. В виртуальной реальности испытуемые видели мир от первого лица, но вместо обычных человеческих рук у их аватара были широкие крылья. Датчики синхронизировали движения реальных конечностей с движениями виртуальных крыльев без задержек.

Испытуемым нужно было научиться летать. Программа учитывала реалистичную аэродинамику. Чтобы оторваться от земли и набрать высоту, участникам требовалось с усилием опускать вытянутые руки вниз, создавая подъемную силу. При движении рук вверх их следовало сгибать и прижимать к себе, чтобы уменьшить площадь сопротивления виртуальному воздуху.

Тренировки включали несколько типов заданий: одиночный взмах для максимального подскока, полет на максимальной скорости, удержание стабильной высоты и навигацию в пространстве, где нужно было пролетать сквозь расположенные в воздухе кольца. К концу четвертого сеанса все участники значительно улучшили свои навыки управления крыльями и сообщали в анкетах о сильном субъективном чувстве контроля над ними.

Анализ активности мозга: методология

Чтобы зафиксировать физиологические изменения, ученые сканировали мозг всех участников с помощью функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ). Эта процедура проводилась дважды: за несколько дней до начала виртуальных тренировок и сразу после окончания последнего сеанса.

Во время нахождения в томографе участники не совершали никаких движений. Им на экране демонстрировали различные изображения: человеческие руки, ноги, нижние части лиц, инструменты, стулья, хвосты животных и крылья. При этом показывали как те крылья, которые использовались в виртуальной симуляции, так и обычные крылья птиц, которых не было в программе. ФМРТ отслеживала, к каким именно зонам мозга приливает кровь во время просмотра разных картинок.

Сравнение результатов сканирования до и после недельного обучения выявило три конкретных изменения в работе мозга.

Три уровня интеграции нового органа

1. Усиление локальной реакции

После курса управления виртуальным аватаром затылочно-височная кора стала реагировать на изображения крыльев гораздо активнее, чем до эксперимента. При этом реакция на другие объекты (инструменты или части тела) осталась на прежнем уровне. Важно отметить, что мозг начал сильнее реагировать не только на знакомые виртуальные крылья, но и на крылья птиц. Это означает, что нервная система усилила чувствительность ко всей категории таких объектов в целом, а не просто запомнила конкретную картинку из игры.

2. Изменение нейронных паттернов

Активность нейронов при восприятии любого объекта создает уникальный пространственный рисунок — паттерн. Ученые проанализировали эти рисунки с помощью алгоритмов машинного обучения.

До начала тренировок нейронный паттерн, возникающий при виде крыльев, сильно отличался от паттерна, возникающего при виде человеческих рук. Крылья воспринимались как чужеродные объекты, ближе к хвостам животных или неодушевленным предметам. Однако после полетов в виртуальной реальности паттерн крыльев изменился. Статистически он стал максимально похож на нейронный отпечаток верхних конечностей. Мозг начал классифицировать искусственные крылья в ту же категорию, что и биологические руки.

3. Новые функциональные связи

Изменения затронули не только область визуального распознавания. Ученые зафиксировали усиление связи между затылочно-височной корой и лобно-теменными зонами мозга. Лобно-теменные зоны отвечают за планирование сложных движений и обработку информации от мышц и кожи (соматосенсорную информацию).

После обучения один лишь взгляд на изображение крыла заставлял зрительную кору передавать интенсивные сигналы в моторные центры. Мозг начал связывать визуальный образ крыльев с двигательными командами и ожиданием физической обратной связи от их движения.

Механизм семантического кодирования функции

Полученные данные опровергают представление о том, что мозг формирует карту тела исключительно на основе врожденной анатомии или прямого визуального сходства. Нервная система использует принцип функционально-семантического кодирования.

Мозгу неважно, что виртуальное крыло совершенно не похоже на руку с пальцами. Если новый орган синхронно реагирует на двигательные команды человека, напрямую зависит от сокращения его мышц и позволяет выполнять целенаправленные действия (перемещаться в пространстве), мозг адаптируется к этим условиям. Он признает новый орган частью тела, опираясь на его функцию, а не на форму.

Авторы исследования подчеркивают разницу между крыльями из эксперимента и обычными инструментами. Когда человек использует протез или держит в руках предмет, он видит и инструмент, и свои собственные руки, которые им управляют. В этом случае мозг сохраняет разграничение между телом и внешним объектом. В виртуальной реальности биологические руки человека были полностью скрыты из поля зрения, а их движения напрямую конвертировались в движения крыльев. Именно это отсутствие визуального конфликта позволило мозгу полностью присвоить новый орган.

Значение исследования для науки и технологий

Доказательство того, что мозг способен быстро встраивать нечеловеческие конечности в свою внутреннюю систему координат, имеет широкое практическое применение.

В первую очередь, эти данные открывают новые пути для создания интерфейсов «мозг-компьютер» и бионических протезов. Разработчики могут проектировать искусственные конечности любой формы и назначения, не ограничиваясь строгим копированием человеческой анатомии. Нервная система пациентов сможет научиться воспринимать специализированные роботизированные манипуляторы как естественную часть своего тела, что сделает управление ими интуитивным и точным.

Также результаты исследования важны для дальнейшего развития систем виртуальной и дополненной реальности. Они показывают, что при правильной настройке физической симуляции и точной синхронизации движений человек способен полноценно управлять аватарами с любой анатомией, будь то дополнительные конечности или органы, отсутствующие у приматов. Мозг обладает достаточной гибкостью, чтобы переписать базовые правила восприятия под новые условия среды.

Источник: Cell Reports