Квазидвижения: необычный феномен с перспективами использования в интерфейсах мозг-компьютер

Исследователи Московского психолого-педагогического университета (МГППУ) получили важные результаты, подтверждающие возможность использования феномена квазидвижений в разработке интерфейсов мозг-компьютер. Они представлены в двух статьях, одна из которых опубликована в журнале Life, а другая еще проходит рецензирование, но уже доступна в архиве препринтов PsyArXiv.

Квазидвижения - необычный и крайне мало изученный двигательный феномен, ранее не исследовавшийся в России. Он наблюдается, когда участника эксперимента просят выполнять движение, постепенно уменьшая его амплитуду до тех пор, пока исчезает не только видимое движение, но и активация ответственной за него мышцы. При этом, однако, участник эксперимента обычно не замечает моменты, когда движение и напряжение мышцы полностью исчезают. Эти его попытки выполнять движение, которые не приводят к активации мышц, и называют квазидвижениями.

Но даже при таких слабых попытках сделать движение, при которых не возникает ни движения, ни напряжения мышцы, продолжают активироваться области коры мозга, ответственные за движение, и это можно видеть в электроэнцефалограмме (ЭЭГ). Эта активация мозга, по данным одних исследователей, по своей силе находится между реальными и воображаемыми движениями, по данным других - похожа на наблюдаемую при воображаемых движениях и значительно слабее, чем при реальных движениях.

Целью исследований, проводившихся в МГППУ, было уточнение знаний о квазидвижениях с использованием более современных методик и с созданием в эксперименте улучшенных условий для того, чтобы испытуемые могли сравнивать между собой квазидвижения, воображаемые и реальные движения.

Анализ субъективного опыта участников эксперимента показал, что с точки зрения намерения того, кто выполняет квазидвижения, они практически не отличаются от реальных движений. Напротив, намерение мысленно представить себе выполнение движения обычно четко отличалось от намерения, результатом которого являлось квазидвижение - примерно так же, как намерение вообразить движение отличается от намерения сделать реальное движение. При этом и активация коры головного мозга при квазидвижениях, по данным ЭЭГ, оказалась выше, чем при воображении движений – даже несмотря на то, что воображаемые движения были большой амплитуды.

Однако более высокую активацию мозга при квазидвижениях можно было бы попробовать объяснить тем, что попытки выполнения квазидвижений время от времени приводят к незаметному для экспериментатора небольшому напряжению мышц. Например, испытуемый может это чувствовать и переживать как свою ошибку – ведь он нарушает инструкцию не напрягать мышцу – а это приведет к более выраженным изменениям в ЭЭГ. Чтобы проверить это предположение, в новой работе была применена более чувствительная методика анализа мышечной электрической активности, чем ранее использовавшиеся в исследованиях квазидвижений. Оказалось, что часть попыток совершения квазидвижений действительно сопровождается небольшой мышечной активацией, не выявляемой ранее использовавшимися методами. Исследователи назвали такие попытки "квази-квазидвижениями". При воображении движений подобная активация мышц, как и ожидалось, встречалась намного реже. Однако исследование факторов, влияющих на ЭЭГ, с помощью метода смешанных линейных моделей убедительно доказало, что различие эффектов в ЭЭГ при воображаемых движениях и квазидвижениях никак не связано с разной мышечной активацией. Значит, более высокая активация мозга при квазидвижениях связана с какими-то более глубинными факторами. Возможно, с тем, что квазидвижения действительно значительно ближе к реальным движениям, чем считалось раньше.

Какое значение эти результаты имеют для разработки технологий интерфейсов мозг-компьютер (ИМК)?

В ИМК очень часто используют воображение движений: пользователь, например, парализованный человек, мысленно представляет, что делает движение рукой или ногой, и это распознает компьютерная программа, анализирующая его ЭЭГ. Далее программа может направить в нужную сторону курсор на компьютерном экране или даже запустить какое-то реальное движение -- например, есть экспериментальные методики постинсультной реабилитации, в которых воображаемые движения вызывают активизируют экзоскелет, двигающий парализованную конечность. Многие исследователи считают, что такое использование ИМК может ускорять восстановление движений после инсульта. Кроме воображения, для активации такого ИМК можно использовать и попытки совершать движение, которые у парализованного человека не вызывают реальных движений, но сопровождаются активацией мозга, видимой в ЭЭГ.

В последние годы в ряде исследований было показано, что использование попыток совершения движений вместо воображаемых движений может улучшать работу ИМК. В связи с этим ИМК на основе попыток совершения движения оказываются весьма актуальными. Разработка методик на основе таких попыток затрудняется тем, что тестировать их на здоровых людях очень сложно и даже не вполне безопасно -- для таких тестов нужно на некоторое время искусственно вызывать паралич мышц, задействованных в движении. И именно здесь на помощь могут прийти квазидвижения: возможность их использования для изучения попыток совершения движения на здоровых добровольцах предполагалась уже их первыми исследователями, а новые результаты дают дополнительные аргументы для того, чтобы считать их родственными феноменами.

По словам Сергея Шишкина, ведущего научного сотрудника МЭГ-центра (Центра нейрокогнитивных интерфейсов) МГППУ, руководителя группы нейрокогнитивных интерфейсов, в которой выполнялось исследование, он впервые узнал о квазидвижениях на Всемирном психофизиологическом конгрессе, проходившем в 2008 году в Санкт-Петербурге от Вадима Никулина -- открывшего их ученого российского происхождения, работавшего тогда в клинике Шарите в Берлине, и его аспирантки Фридерики Хохлефельд. Они уже тогда показали, что активация сенсомоторных отделов коры головного мозга, оцениваемая с помощью ЭЭГ, при квазидвижениях выражена хотя и слабее, чем при полноамплитудных реальных движениях, но сильнее, чем при воображении таких же движений, и предложили использовать квазидвижения в ИМК - либо сами по себе (для здоровых или не полностью парализованных людей), либо для лабораторного моделирования попыток выполнения движений. Однако через некоторое время они занялись другими проектами, а сообщество исследователей и разработчиков ИМК не заинтересовалось их идеей использовать квазидвижения -- по-видимому, из-за чрезмерной необычности этого феномена.

“Сочетание воображения движений с ожиданием события в реальном мире – срабатывания управляемого от ИМК устройства вроде экзоскелета – является довольно неестественным, – говорит руководитель проекта Анатолий Васильев, старший научный сотрудник группы нейрокогнитивных интерфейсов МЭГ-центра МГППУ, который ранее в течение ряда лет работал с методиками воображения движений и изучал их применение в интерфейсах мозг-компьютер. – В случае квазидвижений и попыток выполнения движения нет такой явной установки на мысленное действие вместо реального, поэтому они могут оказаться более подходящими для ИМК”.

Участник исследований и основной автор второй статьи Артем Яшин - не только сотрудник группы нейрокогнитивных интерфейсов МЭГ-центра МГППУ, но и аспирант философского факультета МГУ им. М.В. Ломоносова - видит в квазидвижениях явление, на примере которого можно пытаться разобраться в природе реальных и мысленных действий. "Нейронаука и философия основательно продвинулись в понимании реальных или телесных действий, но до сих пор уделяют мало внимания мысленным или ментальным действиям. Однако для построения общей теории о том, как мы действуем и осознаем свои действия, рассмотрение ментальных действий практически необходимо. Предположительно будучи промежуточной, полуреальной активностью, квазидвижения могут позволить нам лучше понять, как мысленные действия соотносятся с телесными. В частности, наша вторая статья посвящена так называемой агентной осведомленности, то есть характерному субъективному опыту, сопровождающему действия. Оказывается, что даже несмотря на значительную потерю обратной связи и временами возникающие сомнения в реальности квазидвижений, люди в целом переживают их как телесные действия. Тем самым мы получили аргумент в пользу того, что телесные и мысленные действия образуют раздельные классы, а не некий непрерывный спектр."

- В этом проекте мы получили записи ЭЭГ, на которых теперь отлаживаем алгоритмы машинного обучения, моделирующие работу нейроинтерфейса, через который можно подавать команды с помощью квазидвижений, – рассказывает Сергей Шишкин. – Мы надеемся, что вместе с нашими партнерами из Центра биоэлектрических интерфейсов Высшей школы экономики сможем довольно скоро запустить такой интерфейс в реальном времени. И особенно важным было то, что мы получили практический опыт работы с феноменом квазидвижений, о котором раньше мы знали лишь от открывших его коллег и из литературы. Это позволяет всерьез продумывать дальнейшие исследования и находить ему новые приложения. У нас уже есть идеи, как получить пользу от квазидвижений в других наших проектах.

Исследования поддержаны грантом Российского научного фонда № 22-29-01361 ( https://rscf.ru/project/22-29-01361/ ).

Источник: Пресс-служба МГППУ