Pod koniec stycznia tego roku, w PLoS Computational Biology zostały opublikowane wyniki badań, w których udało się określić, co zobaczył człowiek, na podstawie zapisu czynności bioelektrycznej jego mózgu. Autorami tego nowatorskiego badania są: neuropsycholog Rajesh Rao z University of Washington, neurochirurg Jeff Ojemann z UW Medicine, Kai Miller i współpracownicy z Południowej Kalifornii i Nowego Jorku.

W badaniu wzięło udział siedem osób chorych na epilepsję z ośrodka medycznego Hartborview w Seattle. Byli oni dotknięci epilepsją lekooporną i czekali na zabieg neurochirurgiczny. Na powierzchnię ich kory mózgowej wszczepiono implanty z elektrodami. Miały one zostać tam tydzień, a ich zadaniem było zlokalizowanie ognisk padaczkowych. Możliwość zarejestrowania pracy ludzkiego mózgu bezpośrednio z kory, a nie przez czaszkę, to rzadka okazja. Wykorzystano ją przy tym badaniu.

Badanym pokazywano w losowej kolejności obrazki twarzy i domów. Ekspozycja była dosyć krótka i trwała 400 ms. Ponadto badani dostali instrukcję, aby wyłapywać obrazki, na których umieszczony jest domek odwrócony do góry nogami. Tych prób było w sumie 300. Jednocześnie rejestrowano czynność bioelektryczną mózgu: szybkie zmiany sygnału w odpowiedzi na bodziec (potencjały wywołane) i szerokopasmowe zmiany widma potencjału.

Reszta badania należała już do algorytmu uczącego się. Dwie trzecie prób posłużyło do nauczenia algorytmu, jak wyglądał zapis czynności mózgu, jeśli badany widział twarz lub dom. Ostatnie 100 prób było sprawdzianem dla algorytmu. Na podstawie samych zmian czynności mózgu badanego algorytm miał wskazać, czy badany widział dom, czy twarz. Udało się to w 96% przypadków, ale tylko wtedy, kiedy pod uwagę wzięto jednocześnie potencjały wywołane i szerokopasmowe zmiany widma potencjału. W dodatku algorytm potrafił precyzyjnie określić moment, kiedy badany zobaczył obrazek – z dokładnością do 20 milisekund.

Neuropsycholodzy od dawna interesują się związkiem percepcji obiektów z aktywnością neuronalną. To, co jest już wiadome, to fakt, że w brzusznej części kory skroniowej (ventral temporal cortex) występują oddzielne regiony odpowiedzialne za różne klasy złożonych bodźców wizualnych. Wiadomo również, że w obrębie tych regionów następują szybkie zmiany elektrokortykograficzne (electrocorticography; ECoG). Badania elektrokortykograficzne wykonuje się podczas operacji neurochirurgicznych. Wtedy to na powierzchnię kory mózgowej umieszcza się elektrody, rejestrujące potencjały elektryczne. – Aktywność neuronalna, mierzona podczas ECoG, znacznie wzrasta kiedy badany ogląda obrazki z twarzami, miejscami i innymi obiektami. Zmiany te (>40Hz) nie dały się jednak wyrazić w konkretnym przedziale częstotliwości, a były jedynie odbiciem szerokopasmowych fluktuacji. Początkowo zmiany powiązane z kategorią obiektu identyfikowano za pomocą potencjałów wywołanych (event-related potentials; ERPs - potencjały elektryczne rejestrowane po zadziałaniu odpowiedniego bodźca) w badaniu ECoG lub za pomocą funkcjonalnego rezonansu magnetycznego (fMRI). Największą wadą tego sposobu był jednak globalny sposób ujęcia i trudność w ostatecznym stwierdzeniu za co konkretnie odpowiadają dane struktury. Przykładowo, potencjały wywołane miały bardzo szeroką wariancję, z maksymalnymi i minimalnymi wahnięciami o różnym kształcie, latencji i czasie trwania. Pozostawało więc niejasne, na co tak naprawdę wskazuje kształt ERP.

Najnowsze badanie jest wyjątkowe pod tym względem, że poprzedni naukowcy szukali pojedynczych neuronów odpowiedzialnych za percepcję obiektów. Teraz otrzymaliśmy bardziej obszerny obraz tego, jak gęsta sieć neuronalna wspiera procesy percepcyjne złożonych wizualnie obiektów. Autorzy badania zaznaczają, że ich metoda jest jedynie wstępem do mapowania mózgu. Następnym krokiem będzie identyfikacja w czasie rzeczywistym części mózgu wrażliwych na konkretne klasy bodźców.

Czyżby to było także preludium do czytania w myślach? Tutaj należy być jednak bardzo ostrożnym, bo przed nami naprawdę długa droga. Na pewno pierwszy krok – trafna ocena na podstawie sygnałów neuronalnych, na jaki z dwóch typów obiektu patrzy osoba badana – został już dokonany.
 
Źródło: Miller KJ, Schalk G, Hermes D, Ojemann JG, Rao RPN (2016) Spontaneous Decoding of the Timing and Content of Human Object Perception from Cortical Surface Recordings Reveals Complementary Information in the Event-Related Potential and Broadband Spectral Change. PLoS Comput Biol 12(1): e1004660. doi:10.1371/journal.pcbi.1004660