Badanie naukowców z Uniwersytetu Wschodniej Anglii (University of East Anglia) jako pierwsze pokazuje, jakie obszary naszego mózgu są używane podczas posługiwania się narzędziami. Już wcześniej było wiadomo, że samo oglądanie obrazów narzędzi aktywuje inny obszar mózgu niż oglądanie innych rodzajów przedmiotów. Innymi słowy – nasze mózgi inaczej reagują na widok noża, a inaczej na widok krzesła.
– Do tej pory zakładano, że mózg segreguje informacje wizualne w ten sposób, aby zoptymalizować przetwarzanie działań związanych z narzędziami. Chcieliśmy sprawdzić, czy ludzki mózg automatycznie przetwarza trójwymiarowe obiekty pod kątem tego, jak je chwytamy, aby ich użyć. W szczególności chcieliśmy się dowiedzieć, czy możemy wykorzystać sygnały z określonych części mózgu, aby stwierdzić, czy ludzie prawidłowo posłużą się narzędziami, np. chwytając nóż za rękojeść, zamiast za ostrze – wyjaśnia główna autorka badania dr Stephanie Rossit.
Atrapy noża i łyżki z drukarki 3D
Analizy prowadzono w szpitalu uniwersyteckim w Norfolk. Przy pomocy aparatu do rezonansu magnetycznego (MRI) naukowcy sprawdzali aktywność mózgu w czasie, gdy poddani badaniu ludzie brali do ręki różne przedmioty – będące narzędziami lub nie.
Realizacja projektu okazała się wyzwaniem. Po pierwsze, wewnątrz aparatu do rezonansu jest ciasno, a badany musi leżeć niemal nieruchomo, żeby można było uzyskać wyraźne skany. Tymczasem uczestnicy musieli brać do rąk kolejne przedmioty. Po drugie – w pobliżu sprzętu nie mogły znajdować się żadne przedmioty wykonane z metalu, ponieważ MRI używa bardzo silnych pól magnetycznych.
Naukowcy znaleźli jednak rozwiązanie obu problemów. Prawdziwe narzędzia zastąpili replikami wydrukowanymi w 3D z materiałów bezpiecznych dla aparatury. Tak powstały plastikowy nóż, nożyk do pizzy i łyżka oraz kilka tzw. obiektów kontrolnych, które były odwzorowaniem przedmiotów niebędących narzędziami. Wszystkie modele podawano badanym tak, aby mogli pozostać nieruchomo, nie zakłócając pracy skanera.
Wystarczy zdjęcie dłoni, by przewidzieć, jak użyjemy narzędzia
W pierwszej sesji badań 20 ochotników poproszono o prawidłowe lub nieprawidłowe uchwycenie wydrukowanych narzędzi kuchennych i przedmiotów kontrolnych. W drugim etapie uczestnicy ponownie zostali zeskanowani, ale tym razem nie podawano im żadnych przedmiotów, a jedynie pokazywano zdjęcia narzędzi i dłoni.
– Gdy uczestnicy je oglądali, badaliśmy aktywność mózgu, aby określić, które części są aktywowane przez same obrazy. Następnie wykorzystaliśmy najnowocześniejsze algorytmy, aby sprawdzić, czy na tej podstawie możemy przewidzieć, czy ludzie rzeczywiście chwycą narzędzie prawidłowo, czy nie. To naprawdę ważne, by wiedzieć, jak nie chwycić przedmiotu (np. noża za ostrze). Ma to kluczowe znaczenie dla skutecznego użycia narzędzi – wyjaśnia współautor badań dr Fraser Smith.
Wyniki okazały się zaskoczeniem. – W przeciwieństwie do tego, co sądziła większość naukowców, byliśmy w stanie przewidzieć, czy narzędzie zostanie prawidłowo uchwycone na podstawie sygnałów z obszarów mózgu reagujących na obraz dłoni, a nie na zdjęcia narzędzi – podkreśla dr Rossit. Co dodatkowo ciekawe, ta aktywność mózgu pozwoliła przewidzieć działania badanych w przypadku posługiwania się narzędziami, nie zaś pozostałymi przedmiotami kontrolnymi. To dowodzi, że wzorce ruchów dłoni związane z narzędziami są zakodowane w konkretnych obszarach mózgu.
Kamień milowy w pracach nad nowoczesnymi protezami
– Nasze odkrycie zmienia podstawową wiedzę na temat tego, jak mózg kontroluje nasze ręce i może mieć ważne konsekwencje dla zdrowia i społeczeństwa. Np. może pomóc w opracowaniu lepszych urządzeń lub rehabilitacji dla osób, które utraciły funkcje kończyn z powodu urazu mózgu. Może nawet pozwolić ludziom bez kończyn na kontrolowanie protez za pomocą umysłu – mówi dr Rossit.
Wyniki badań brytyjskich naukowców mogą utorować drogę do rozwoju neuroprotetyki nowej generacji i powstania protez kończyn, które będą połączone z ośrodkami w mózgu odpowiedzialnymi za kontrolowanie mięśni.
Zdaniem autorów odkrycia, ich ustalenia dają lepszy wgląd nie tylko w przyszłość człowieka, lecz także w jego przeszłość. Pojawienie się pierwszych narzędzi i nauka posługiwania się nimi to jeden z najważniejszych momentów w naszej ewolucji. Nowe badania mogą rzucić światło na to, jakie obszary mózgu wyewoluowały u ludzi, odróżniając nas dziś od innych naczelnych.
Źródło: The Journal of Neuroscience, University of East Anglia