Еркіндік қозғалыс алдындағы ми қызметінің потенциалы
Bereitschaftspotential
Берeйшафтспотенциал (BP) – ерікті қозғалысқа дайындық белгісі. Ми моторлық қабығының активтілігін көрсетеді, 1964 ж. Германияда ашылған. Неврологиялық зерттеу.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Неврологияда Bereitschaftspotential немесе BP (неміс тілінде "дайындық потенциалы"), сондай-ақ премоторлық потенциал немесе дайындық потенциалы (RP) деп аталады, бұл мидың моторлық қабықшасы мен қосымша моторлық аймағындағы ерікті бұлшық қозғалысына дейін болатын белсенділіктің өлшемі. BP – ерікті қозғалыстың алдын ала жоспарлауына қабықтың үлесін көрсетеді. Оны алғаш рет 1964 жылы Ханс Гельмут Корнхубер және Людер Дике Германияның Фрайбург университетінде тіркеп, хабарлады. 1965 жылы көптеген бақылау тәжірибелерінен кейін толық жарияланым шықты.
In neurology, the Bereitschaftspotential or BP (German for "readiness potential"), also called the pre motor potential or readiness potential (RP), is a measure of activity in the motor cortex and supplementary motor area of the brain leading up to voluntary muscle movement. The BP is a manifestation of cortical contribution to the pre motor planning of volitional movement. It was first recorded and reported in 1964 by Hans Helmut Kornhuber and Lüder Deecke at the University of Freiburg in Germany. In 1965 the full publication appeared after many control experiments.
Ашылу
1964 жылдың көктемінде Ханс Гельмут Корнхубер (сол кезде неврология кафедрасының доценті және бас дәрігері, Фрайбург им Брейсгау университетінің ауруханасының бас профессоры Рихард Юнг) және Людер Дике (оның докторанты) Фрайбургтегі Шлоссберг төбесіндегі «Gasthaus zum Schwanen» мейрамханасына түскі асқа барды. Олар әдемі бақта жалғыз отырып, бүкіл әлемде басым болған миды пассивті зерттеуге деген наразылықтарын және мидың және ерік-жігердің өздігінен басталатын әрекеттерін зерттеуге деген ниеттерін талқылады. Осыған байланысты, олар ерікті әрекеттермен байланысты адам миының потенциалдарын іздеуге және ерікті қозғалысты зерттеу парадигмасы ретінде қарастыруға шешім қабылдады. Ерікті қозғалыстарға дейін мидың электр потенциалдарын зерттеу мүмкіндігі Манфред Клайнздің ойлап тапқан «орташа транзиенттер компьютері» (CAT компьютері) пайда болғаннан кейін туды, ол сол кезде Фрайбург зертханасында қол жетімді болған алғашқы, әлі де қарапайым құрал болды. Электроэнцефалограммада (ЭЭГ) әрекеттерге дейін көп нәрсе байқаылмайды, тек α (немесе μ) ритмінің тұрақсыз азаюы ғана көрінеді. Жас зерттеушілер өздігінен басталатын қозғалыстардың электроэнцефалограммасы мен электромиограммасын (жылдам саусақ бүгілуі) таспаға сақтап, қозғалыс басталған сәттегі ми потенциалдарын кері бағытта талдады, себебі оларда кері ойнату немесе бағдарламаланатын компьютер болмағандықтан таспаны тікелей аударды. Адамның ерікті қозғалысына дейін болатын потенциал сол жылы ашылып, жарияланды. Егжей-тегжейлі зерттеулер мен бақылау эксперименттерінен кейін, мысалы, пассивті саусақ қозғалыстары, «Bereitschaftspotential» терминімен белгілі Citation Classic жарияланды. Қозғалысқа дейінгі оң потенциал одан да кішкентай, ал қозғалыс басталғанға дейін 50-60 миллисекунд бұрын басталатын және қарсы жақтанғы прецентраль қол аймағында максималды болатын моторлық потенциал одан да кішкентай. Осылайша, осы потенциалдарды көру үшін үлкен сақтық қажет: қозғалыстың нақты басталуымен дәлдеу маңызды, бұл әсіресе сөйлеу қозғалыстарына дейін қиын. Сонымен қатар, орташалау алдында бас, көз, қабақ, ауыз қозғалыстары және тыныс алудан туындаған артефактілерді жою керек, өйткені мұндай артефактілер жүздеген өлшемдерден кейін де елемеуге қиын болатын шамада болуы мүмкін. Көз қозғалысы кезінде көз бұлшық еттерінің потенциалын ми потенциалынан ажырату қажет. Кейбір жағдайларда, R толқыны сияқты потенциалдардың шығу тегін анықтау үшін жануарлармен тәжірибе жүргізу қажет болды. Сондықтан, Корнхубер мен Дике нәтижелерінің егжей-тегжейін растау үшін басқа зертханалар көп жылдар күтті. Жоғарыда айтылғандай, саусақ немесе көз қозғалысынан басқа, BP білезік, қол, иық, жамбас, тізе, аяқ және саусақтардың қасақана қозғалыстарын тіркеу үшін де қолданылды. Ол сөйлеу, жазу және жұту алдында да тіркелді. «Bereitschaftspotential» (BP) магнит-энцефалографиялық (MEG) эквиваленті, «Bereitschafts(магниттік) өрісі» (BF) немесе дайындық өрісі (RF) алғаш рет 1982 жылы Канаданың Бернаби қаласындағы Саймон Фрейзер университетіндегі Хал Вайнберг зертханасында тіркелді. Ерте компонент, BP 1 немесе BF1, қосымша моторлық аймақтан (SMA), оның ішінде пре-SMA-дан, ал кеш компонент, BP2 немесе BF2, негізгі моторлық аймақтан (MI) пайда болғандығы расталды. Бұған ұқсас оқиғамен байланысты потенциал (ERP) компонентін 1962 жылы британдық нейрофизиолог Уильям Грей Уолтер ашқан және 1964 жылы жариялаған. Бұл шартты теріс өзгеру (CNV). CNV екі толқыннан тұрады: бастапқы толқын (яғни O толқыны) және соңғы толқын (яғни E толқыны). Соңғы CNV BP сияқты сипаттамаларға ие және көптеген зерттеушілер BP және соңғы CNV бір компонент деп санайды. Дегенмен, екеуі де мидың келесі әрекетке дайындығын көрсетеді деген консенсус бар.
In the spring of 1964 Hans Helmut Kornhuber (then docent and chief physician at the department of neurology, head Professor Richard Jung, university hospital Freiburg im Breisgau) and Lüder Deecke (his doctoral student) went for lunch to the 'Gasthaus zum Schwanen' at the foot of the Schlossberg hill in Freiburg. Sitting alone in the beautiful garden they discussed their frustration with the passive brain research prevailing worldwide and their desire to investigate self initiated action of the brain and the will. Consequently, they decided to look for cerebral potentials in man related to volitional acts and to take voluntary movement as their research paradigm. The possibility to do research on electrical brain potentials preceding voluntary movements came with the advent of the 'computer of average transients' (CAT computer), invented by Manfred Clynes, the first still simple instrument available at that time in the Freiburg laboratory. In the electroencephalogram (EEG) little is to be seen preceding actions, except of an inconstant diminution of the α (or μ ) rhythm. The young researchers stored the electroencephalogram and electromyogram of self initiated movements (fast finger flexions) on tape and analyzed the cerebral potentials preceding movements time reversed with the start of the movement as the trigger, literally turning the tape over for analysis since they had no reversal playback or programmable computer. A potential preceding human voluntary movement was discovered and published in the same year. After detailed investigation and control experiments such as passive finger movements the Citation Classic with the term Bereitschaftspotential was published. The pre motion positivity is even smaller, and the motor potential which starts about fifty to sixty milliseconds before the onset of movement and has its maximum over the contralateral precentral hand area is still smaller. Thus, it takes great care to see these potentials: exact triggering by the real onset of movement is important, which is especially difficult preceding speech movements. Furthermore, artifacts due to head , eye , lid , mouth movements and respiration have to be eliminated before averaging because such artifacts may be of a magnitude which makes it difficult to render them negligible even after hundreds of sweeps. In the case of eye movements eye muscle potentials have to be distinguished from cerebral potentials. In some cases animal experiments were necessary to clarify the origin of potentials such as the R wave. Therefore, it took many years until some of the other laboratories were able to confirm the details of Kornhuber & Deecke's results. In addition to the finger or eye movements as mentioned above, the BP has been recorded accompanying willful movements of the wrist, arm, shoulder, hip, knee, foot and toes. It was also recorded prior to speaking, writing and also swallowing. The magnetoencephalographic (MEG) equivalent of the Bereitschaftspotential (BP), 'Bereitschafts(magnetic)field' (BF), or readiness field (RF) was first recorded in Hal Weinberg's laboratory at Simon Fraser University Burnaby B. C. Canada in 1982. It was confirmed that the early component, BP 1 or BF1, respectively was generated by the supplementary motor area (SMA), including the pre SMA, while the late component, BP2 or BF2, was generated by the primary motor area, MI. A very similar event related potential (ERP) component had earlier been discovered by the British neurophysiologist William Grey Walter in 1962 and published in 1964. It is the contingent negative variation (CNV). The CNV also composes two waves; the initial wave (i. e., O wave) and the terminal wave (i. e., E wave). The terminal CNV has similar characteristics as the BP and many researchers have claimed that the BP and the terminal CNV are the same component. At least there is a consensus that both indicate a preparation of the brain for a following behavior.
Нәтижелері
Ғалымдар "Брейцхафт потенциалы" зерттеуін зор қызығушылықпен қабылдады, бұл сэр Джон Экклстың: "Осы әсерлі түрде қарапайым эксперименттер мен ғаламның қозғалыс заңдарын көлбеу жазықтықтағы металл шарлармен зерттеген Галилео Галилейдің эксперименттері арасындағы керемет параллелизм таң қалдырады" деген пікірінен көрінеді. Психология мен философиядағы қызығушылық одан да артық болды, себебі ерік дәстүрлі түрде адамның бостандығымен байланысты (сағ. Корнхубер 1984). Алайда, сол жылдары бостандыққа деген көзқарас жағымсыз болды, бостандық – иллюзия деп есептелді. Бихевиоризм мен фрейдизм дәстүрі детерминистік болған. Бірінші дүниежүзілік соғыстан бұрын және кейін, тіпті екінші дүниежүзілік соғыс кезінде психологиялық зерттеулерде ерік пен ерік жиі жетекші ұғымдар болды, бірақ екінші дүниежүзілік соғыс аяқталғаннан кейін бұл төмендеді, ал 1960-шы жылдардың ортасына қарай бұл кілттік сөздер мүлдем жоғалып, Америкалық Психологиялық Ассоциацияның сөздігінен алынып тасталды. BP – бұл ерікті қозғалыстан бұрын қосымша моторлық аймақтың (SMA) қатысуының электрлік белгісі, ол негізгі моторлық аймақтан бұрын белсенділікті бастайды. BP ерік бостандығы туралы бүкіл әлемдік талқылауды тудырды (сағ. "The Bereitschaftspotential" кітабының соңғы тарауы). Жоғарыда айтылғандай, SMA қызметі "Брейцхафт потенциалының" ерте компонентін (BP1 немесе BP ерте) құрайды. SMA қозғалыстың немесе әрекеттің басталу функциясына ие. Cunnington және авторлардың 2003 жылғы зерттеуі SMA-ның өзі және SMA-ға дейінгі аймақтардың ерікті қозғалыс немесе әрекет алдында, сондай-ақ цингуляттық моторлық аймақтың (CMA) белсенді екенін көрсетіп, SMA рөлін одан әрі растады. Бұл қазір "алдыңғы орталық цингуляттық қабық (aMCC)" деп аталады. Жақында, бір мезгілде алынған ЭЭГ және fMRI интеграциясы арқылы SMA және aMCC бір-бірінің белсенділігін сақтайтын күшті өзара байланыстарға ие екендігі және бұл өзара әрекеттесу "Брейцхафт потенциалының" амплитудасына сәйкес қозғалысқа дайындалу кезінде жүзеке асыратыны көрсетілді. ЭЭГ және ЭМГ, қозғалтқыш нейрондарының әрекет потенциалдарының жалпы үлгілерін болжауға бағытталған Байес желілерін құру үшін Байес тұжырымдамасымен бірге қолданылады. Бұл интрузивті емес ми-компьютер интерфейстерін жасауға тырысатын зерттеушілерді, сондай-ақ жүйелік талдау, операциялық зерттеулер және эпистемология салаларын қызықтырады (мысалы, Смит болжауы талқылауда ұсынылды).
The Bereitschaftspotential was received with great interest by the scientific community, as reflected by Sir John Eccles's comment: "There is a delightful parallel between these impressively simple experiments and the experiments of Galileo Galilei who investigated the laws of motion of the universe with metal balls on an inclined plane". The interest was even greater in psychology and philosophy because volition is traditionally associated with human freedom (cf. Kornhuber 1984). The spirit of the time, however, was hostile to freedom in those years; it was believed that freedom is an illusion. The tradition of behaviourism and Freudism was deterministic. While will and volition were frequently leading concepts in psychological research papers before and after the first world war and even during the second war, after the end of the second world war this declined, and by the mid sixties these key words completely disappeared and were abolished in the thesaurus of the American Psychological Association. The BP is an electrical sign of participation of the supplementary motor area (SMA) prior to volitional movement, which starts activity prior to the primary motor area. The BP has precipitated a worldwide discussion about free will (cf. the closing chapter in the book "The Bereitschaftspotential"). As said above, the activity of the SMA generates the early component of the Bereitschaftspotential (BP1 or BP early). The SMA has the starting function of the movement or action. The role of the SMA was further substantiated by Cunnington et al. 2003, showing that SMA proper and pre SMA are active prior to volitional movement or action, as well as the cingulate motor area (CMA). This is now called ‘anterior mid cingulate cortex (aMCC)’. Recently it has been shown by integrating simultaneously acquired EEG and fMRI that SMA and aMCC have strong reciprocal connections that act to sustain each other’s activity, and that this interaction is mediated during movement preparation according to the Bereitschaftspotential amplitude. EEGs and EMGs are used in combination with Bayesian inference to construct Bayesian networks which attempt to predict general patterns of Motor Intent Neuron Action Potentials firing. Researchers attempting to develop non intrusive brain–computer interfaces are interested in this, as are system analysis, operations research, and epistemology (e. g. the Smith predictor has been suggested in the discussion).
БП және ерік бостандығы
1980-ші жылдарғы еркін ерік туралы нейробиологиялық тәжірибелер сериясында Бенджамин Либет саналы жігер ету сезімі мен БП арасындағы байланысты зерттеді және БП-ның субъектінің "қазір оған қозғалыс жасағысы келіп тұр" деген саналы түйсігінен шамамен 0,35 секунд бұрын басталатынын анықтады. Либет қозғалысты бастауда біздің еркін ерік жоқ деген қорытындыға келді; алайда, қатысушылар жоспарланған қозғалысты соңғы сәтте тоқтатуға қабілетті болғандықтан, біз осы әрекеттерге вето қоя аламыз ("еркін емес"). Бұл зерттеулер кең пікірталас тудырды. 2016 жылы Берлинде (Германия) Джон Дилан Хейнс басқаратын топ БП-ден кейін команда бойынша жоспарланған қозғалыстың тоқтатылуы мүмкін болатын уақыт аралығын анықтады. Авторлар еріктілердің ЭЭГ белсенділігін бақылап, олардың қозғалыстарын нақты уақытта болжауға арналған ми-компьютер интерфейсі (МКИ) -мен "күресте" жеңіске жете алатынын тексерді. Олардың мақсаты – қозғалысты тоқтату (вето) мүмкін болмайтын нақты уақытты анықтау (қайта оралу нүктесі). Компьютер сынаққа тартылған адамның қозғалысын БП арқылы болжауға үйретілді. Қайта оралу нүктесі қозғалысқа 200 мс бұрын болды. Дегенмен, тіпті содан кейін де, педаль қозғалысқа келгеннен кейін, қатысушылар басталған әрекетті аяқтамай, оны қайта жоспарлай алды. Авторлар есептемелерінде өздігінен басталатын қозғалыстардың тоқтатылуы туралы 1985 жылы Либет хабарлағанын атап өтті. Осылайша, жаңа жетістік – қайта оралу нүктесін дәл анықтау болды.
In a series of neuroscience of free will experiments in the 1980s, Benjamin Libet studied the relationship between conscious experience of volition and the BP e. g. and found that the BP started about 0.35 sec earlier than the subject's reported conscious awareness that "now he or she feels the desire to make a movement." Libet concludes that we have no free will in the initiation of our movements; though, since subjects were able to prevent intended movement at the last moment, we do have the ability to veto these actions ("free won't"). These studies have provoked widespread debate. In 2016, a group around John Dylan Haynes in Berlin (Germany) determined the time window after the BP in which an intended motion could possibly be cancelled upon command. The authors tested whether human volunteers could win a "duel" against a BCI (brain–computer interface) designed to predict their movements in real time from observations of their EEG activity (the BP). They aimed to determine the exact time at which cancellation (veto) of movements was not possible anymore (the point of no return). The computer was trained to predict by means of the BP when a proband would move. The point of no return was at 200 ms before the movement. However, even after that, when a pedal was already set in motion, the subjects were able to reschedule their action by not completing the already started behavior. The authors pointed out in their report that cancellation of self initiated movements had already been reported by Libet in 1985. Thus, the new achievement was a more precise determination of the point of no return.
Қолданбалар
Bereitschaftspotential-дің қызықты қолданылуы ми-компьютер интерфейсі (BCI) қолданбаларында; бұл сигналдық ерекшелік бас терісінен тіркеу арқылы (тіпті жеке сынақ өлшемдерінен де) анықталып, түрлі мақсаттарда пайдаланылуы мүмкін, мысалы, компьютерлік дисплейлерді басқару немесе жұлын жарақаттарында шеткі моторлық бірліктерді басқару. БКИ-нің ең маңызды қолданысы – ампутацияланған адамдардың жасанды мүшелерін "оймен" басқару.
An interesting use of the Bereitschaftspotential is in brain–computer interface (BCI) applications; this signal feature can be identified from scalp recording (even from single trial measurements) and interpreted for various uses, for example control of computer displays or control of peripheral motor units in spinal cord injuries. The most important BCI application is the 'mental' steering of artificial limbs in amputees.