Потенциал готовности: История открытия и характеристики.

Введение

В неврологии Bereitschaftspotential или BP (от немецкого "потенциал готовности"), также называемый премоторным потенциалом или потенциалом готовности (RP), представляет собой показатель активности в моторной коре и добавочной моторной области мозга, предшествующий произвольному движению мышц. BP является отражением вклада коры в премоторное планирование волевого движения. Впервые он был зарегистрирован и описан в 1964 году Хансом Гельмутом Корнхубером и Людером Дикке в Фрайбургском университете в Германии. В 1965 году, после проведения многочисленных контрольных экспериментов, была опубликована полная статья.

Открытие

Весной 1964 года Ханс Гельмут Корнхубер (тогда доцент и главный врач отделения неврологии, заведующий кафедрой профессор Ричард Юнг, университетская клиника Фрайбурга-им-Брайсгау) и Людер Дике (его аспирант) отправились на обед в трактир «Gasthaus zum Schwanen» у подножия холма Шлоссберг во Фрайбурге. Сидя в одиночестве в красивом саду, они обсуждали свое разочарование преобладающими во всем мире пассивными исследованиями мозга и свое стремление изучить спонтанно инициированные действия мозга и волю. В результате они решили искать мозговые потенциалы человека, связанные с волевыми актами, и принять произвольное движение в качестве исследовательской парадигмы. Возможность исследовать электрические потенциалы мозга, предшествующие произвольным движениям, появилась с изобретением Манфредом Клайнесом «компьютера усредненных переходных процессов» (CAT-компьютер) – первого, хоть и простого, прибора, доступного в то время в лаборатории Фрайбурга. На электроэнцефалограмме (ЭЭГ) перед началом действий обычно ничего не видно, за исключением непостоянного снижения α (или μ) ритма. Молодые исследователи записали на ленту электроэнцефалограмму и электромиограмму спонтанно инициированных движений (быстрые сгибания пальцев) и проанализировали мозговые потенциалы, предшествующие движениям, инвертировав время относительно начала движения в качестве триггера, буквально переворачивая ленту для анализа, поскольку у них не было обратного воспроизведения или программируемого компьютера. В том же году был обнаружен и опубликован потенциал, предшествующий произвольному движению человека. После детального изучения и контрольных экспериментов, таких как пассивные движения пальцев, была опубликована классическая работа с термином Bereitschaftspotential. Положительный потенциал перед движением еще меньше, а моторный потенциал, начинающийся примерно за пятьдесят-шестьдесят миллисекунд до начала движения и достигающий максимума над противоположной прецентральной областью руки, еще меньше. Таким образом, для обнаружения этих потенциалов требуется большая осторожность: важен точный запуск, соответствующий реальному началу движения, что особенно сложно при предшествующих речевым движениям. Кроме того, артефакты, вызванные движениями головы, глаз, век, рта и дыханием, необходимо устранять перед усреднением, поскольку их амплитуда может быть настолько велика, что даже после сотен записей их трудно сделать пренебрежимо малыми. В случае движений глаз необходимо различать потенциалы глазных мышц и мозговые потенциалы. В некоторых случаях для выяснения происхождения потенциалов, таких как волна R, требовались эксперименты на животных. Поэтому потребовались годы, прежде чем другие лаборатории смогли подтвердить детали результатов Корнхубера и Дике. Помимо движений пальцев или глаз, упомянутых выше, Bereitschaftspotential (BP) регистрировался при произвольных движениях запястья, руки, плеча, бедра, колена, стопы и пальцев ног. Он также регистрировался перед речью, письмом и глотанием. Магнитоэнцефалографический (МЭГ) эквивалент Bereitschaftspotential (BP), «Bereitschafts(магнитное) поле» (BF) или поле готовности (RF), был впервые зарегистрирован в лаборатории Хала Вайнберга в Университете Саймона Фрейзера в Бернаби, провинция Британская Колумбия, Канада, в 1982 году. Было подтверждено, что ранний компонент, BP 1 или BF1, генерируется дополнительной моторной областью (SMA), включая пре-SMA, а поздний компонент, BP2 или BF2, генерируется первичной моторной областью (MI). Очень похожий компонент потенциала, связанного с событием (ERP), ранее был обнаружен британским нейрофизиологом Уильямом Грей Уолтером в 1962 году и опубликован в 1964 году. Это контингентная отрицательная вариация (CNV). CNV также состоит из двух волн: начальной волны (т. е. волны O) и терминальной волны (т. е. волны E). Терминальная CNV имеет характеристики, аналогичные BP, и многие исследователи утверждают, что BP и терминальная CNV являются одним и тем же компонентом. По крайней мере, существует консенсус, что оба они указывают на подготовку мозга к последующему поведению.

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.

Результаты

В научном сообществе Bereitschaftspotential был воспринят с большим интересом, о чем свидетельствует замечание сэра Джона Эккласа: «Существует восхитительная параллель между этими впечатляюще простыми экспериментами и экспериментами Галилео Галилея, исследовавшего законы движения Вселенной с помощью металлических шаров на наклонной плоскости». Интерес был еще больше в психологии и философии, поскольку волеизъявление традиционно связывают с человеческой свободой (ср. Kornhuber 1984). Однако дух того времени был враждебен свободе; считалось, что свобода – это иллюзия. Традиции бихевиоризма и фрейдизма были детерминистическими. Хотя воля и волеизъявление часто были ключевыми понятиями в психологических исследованиях до и после Первой мировой войны и даже во время Второй мировой войны, после окончания Второй мировой войны их значимость снизилась, и к середине шестидесятых эти ключевые слова полностью исчезли из тезауруса Американской психологической ассоциации. Bereitschaftspotential – это электрический признак участия дополнительной моторной области (SMA) перед волевым движением, которое запускает активность до первичной моторной области. Bereitschaftspotential вызвал всемирную дискуссию о свободе воли (см. заключительную главу книги «The Bereitschaftspotential»). Как уже упоминалось, активность SMA генерирует ранний компонент Bereitschaftspotential (BP1 или BP early). SMA выполняет функцию запуска движения или действия. Роль SMA была дополнительно подтверждена Cunnington и др. (2003), которые показали, что SMA proper и pre-SMA активны перед волевым движением или действием, а также поясная моторная область (CMA). Сейчас это называется «передней средней поясной корой» (aMCC). Недавно, путем одновременной интеграции данных ЭЭГ и фМРТ, было показано, что SMA и aMCC имеют сильные взаимные связи, поддерживающие активность друг друга, и что это взаимодействие опосредуется во время подготовки к движению в соответствии с амплитудой Bereitschaftspotential. ЭЭГ и ЭМГ используются в сочетании с байесовским выводом для построения байесовских сетей, которые пытаются предсказать общие паттерны потенциалов действия моторных нейронов. Это представляет интерес для исследователей, разрабатывающих неинвазивные интерфейсы мозг-компьютер, а также для системного анализа, исследования операций и эпистемологии (например, в обсуждении был предложен предиктор Смита).

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 и свобода воли

В серии экспериментов в области нейробиологии свободной воли в 1980-х годах Бенджамин Либет изучал связь между сознательным опытом волеизъявления и готовностный потенциал (ВП), например, и обнаружил, что ВП начинался примерно на 0,35 секунды раньше, чем испытуемые сообщали о сознательном осознании того, что "сейчас они чувствуют желание совершить движение". Либет пришел к выводу, что у нас нет свободной воли при инициировании наших движений; однако, поскольку испытуемые могли предотвратить запланированное движение в последний момент, у нас есть способность наложить вето на эти действия ("свобода не действовать"). Эти исследования вызвали широкие дебаты. В 2016 году группа под руководством Джона Дилана Хейнеса в Берлине (Германия) определила временное окно после ВП, в течение которого предполагаемое движение могло быть отменено по команде. Авторы проверили, могут ли добровольцы выиграть "дуэль" у интерфейса мозг-компьютер (ИМК), предназначенного для прогнозирования их движений в реальном времени на основе наблюдений за их электроэнцефалографической (ЭЭГ) активностью (ВП). Их целью было определить точный момент, когда отмена (вето) движения становилась невозможной (точка невозврата). Компьютер был обучен предсказывать, когда испытуемый совершит движение, используя ВП. Точка невозврата наступала за 200 мс до движения. Однако даже после этого, когда движение уже было начато, испытуемые могли изменить свои действия, не завершив начатое поведение. Авторы отметили в своем отчете, что отмена самопроизвольных движений уже была описана Либетом в 1985 году. Таким образом, новым достижением стало более точное определение точки невозврата.

Приложения

Интересное применение потенциала готовности в приложениях интерфейса "мозг-компьютер" (BCI); эту особенность сигнала можно выявить на основе записи с кожи головы (даже при однократных измерениях) и использовать для различных целей, например, для управления компьютерными дисплеями или управления периферическими двигательными единицами у пациентов с травмами спинного мозга. Наиболее важное применение BCI – "ментальное" управление протезами у ампутированных.