Gadu desmitiem neirozinātnieki cilvēka smadzenes pētījuši, lūdzot cilvēkiem nekustīgi gulēt smadzeņu skenerī un izpildīt rūpīgi kontrolētus uzdevumus. Šādi eksperimenti ir snieguši daudz nozīmīgu atziņu par smadzeņu darbību, taču tie ne vienmēr atspoguļo būtisku ikdienas dzīves aspektu.

Reālā dzīve nav atsevišķu, savstarpēji nesaistītu uzdevumu virkne. Cilvēki nepārtraukti uztver pasauli, izdara prognozes, pieņem lēmumus, rīkojas apkārtējā vidē un maina savu uzvedību, kad rīcības rezultāts izrādās negaidīts.

Rietumu Universitātes neirozinātnieki Jērns Dītrihsens un Džodija Kalhema palīdz vadīt starptautisku centienu pētīt smadzenes tā, lai eksperimenti vairāk līdzinātos šai sarežģītībai. Viņu pieeja paredz cilvēkus ievietot funkcionālās magnētiskās rezonanses jeb fMRI skenerī un ļaut viņiem spēlēt videospēles.

Videospēles ļauj pētīt prognozēšanu un rīcību

Darbs ir daļa no Digital Brain Project — plaša starptautiska pētniecības projekta, ko atbalsta sociālo mediju uzņēmums Meta. Tā mērķis ir izveidot lielu, publiski kopīgotu cilvēka smadzeņu aktivitātes datu kopu. Projektā iesaistītas pētniecības iestādes visā pasaulē, tostarp Rietumu Universitāte, un tā dalībnieki vēlas noskaidrot, kā smadzenes darbojas daudz plašākā kognitīvo stāvokļu diapazonā, nekā parasti uztver smadzeņu attēlveidošanas eksperimenti.

Dītrihsens jau gadiem izstrādā metodes, ar kurām smadzeņu aktivitāti var kartēt dažādu uzdevumu laikā. Viņa laboratorija ir izveidojusi vairāk nekā 60 uzdevumu kopumu, ko iespējams veikt fMRI skenēšanas laikā. Tas ļauj vienu cilvēku pārbaudīt daudzos dažādos stāvokļos, nevis galvenokārt paļauties uz miera stāvokļa skenējumiem vai vienu izolētu eksperimentu.

“Iedomājieties smadzeņu aktivitāti kā milzīgu ainavu. Jebkurā brīdī jūsu smadzenes atrodas kaut kur šajā ainavā, bet dažādi pārdzīvojumi, lēmumi un darbības jūs pārvieto uz citām vietām,” sacīja Dītrihsens, kurš ir datorzinātņu profesors.

Miera stāvokļa fMRI jeb funkcionālā magnētiskā rezonanse, kas mēra smadzeņu aktivitāti, sekojot asins plūsmas izmaiņām, ļauj novērot spontānas smadzeņu svārstības. Tomēr pētniekiem ir maz iespēju kontrolēt, kurā šīs “ainavas” daļā smadzenes nonāk. Dītrihsena daudzuzdevumu pieeja apzināti aptver ievērojami plašāku smadzeņu aktivitātes loku.

Dītrihsens un Kalhema saskatīja iespēju apvienot savas metodes: viņa darbs ar plaša smadzeņu aktivitātes diapazona paraugošanu tika savienots ar Kalhemas laboratorijas pētījumiem par to, kā smadzenes reaģē, kad cilvēki aktīvi mijiedarbojas ar mainīgu vidi. Videospēles abām pieejām ļauj iekļauties vienā projektā.

“Kad cilvēks spēlē tādu spēli kā Pac-Man, viņš nepārtraukti izdara prognozes. Tuvojas spoks, tāpēc spēlētājs maina virzienu. Viņš pakustina vadības ierīci, Pac-Man reaģē, vide mainās, un spēlētājs nekavējoties atjaunina savu plānu,” sacīja Kalhema, Kanādas pētniecības katedras vadītāja imersīvās neirozinātnes jomā un psiholoģijas profesore.

Tā ir nepārtraukta prognozēšanas, rīcības un atgriezeniskās saites cilpa, kas būtiski atšķiras no situācijas, kurā cilvēkam lūdz aplūkot attēlu un nospiest pogu, lai norādītu, ko viņš redz.

Iepriekš Kalhemas laboratorija salīdzināja cilvēkus, kuri spēlē Pac-Man, ar cilvēkiem, kuri spēli tikai skatās, kā arī ar dalībniekiem, kuri kustina vadības ierīci, bet nekādi neietekmē spēles norisi. Sensorā pieredze un fiziskās kustības šajos gadījumos var būt līdzīgas, tomēr spēlētāja attiecības ar vidi ir pilnīgi citādas.

Šo prognožu izdarīšanas, rīcības un atgriezeniskās saites procesu sauc par “slēgto cilpu” starp cilvēku un vidi. Pētnieki uzskata, ka tieši šī cilpa varētu būt viens no svarīgākajiem elementiem, kura trūkst tradicionālajās smadzeņu izpētes metodēs.

No laboratorijas uzdevumiem līdz 3D spēļu vidēm

Jaunajā pieejā dalībniekiem neliks vienkārši izpildīt garu tradicionālo laboratorijas uzdevumu sarakstu. Dītrihsens un Kalhema plāno apvienot rūpīgi izstrādātus kognitīvos uzdevumus ar imersīvām videospēlēm, kuru pamatā būs bagātīgas 3D vides un pirmās personas avatari.

Datu salīdzināšanai tiks saglabāts pamata uzdevumu kopums. Tajā ietilps kartingu sacīkstes, darbības un veidošanas videospēles, digitālas mīklas un braukšana ar kartingu. Digital Brain Project gaitā pētnieki plāno pievienot arī jaunus uzdevumus un spēļu elementus.

“Tradicionālo uzdevumu pārvēršana spēlē var kļūt par tiltu starp stratēģijām, kas ļauj izprast labi izpētītas kognitīvās funkcijas, un stratēģijām, kuru mērķis ir maksimāla izklaide un iesaiste,” sacīja Kalhema. “Tas mums dod iespēju izpētīt daudz plašāku smadzeņu stāvokļu loku, vienlaikus fiksējot smadzenes brīdī, kad tās prognozē, rīkojas un pielāgojas.”

Pētījums sākas laikā, kad Rietumu Universitāte uzlabo vienu no galvenajām tā īstenošanai nepieciešamajām iekārtām. Universitāte iegulda līdzekļus modernizētā 7 teslu MRI skenerī. Šī jaudīgā sistēma atrodas Funkcionālās un metaboliskās kartēšanas centrā, un tā spēj radīt ievērojami augstākas kvalitātes attēlus nekā tradicionālās MRI sistēmas.

Digital Brain Project vajadzībām pētnieki izstrādā arī jaunu 32 kanālu galvas spoli. Tai vajadzētu uzlabot datu iegūšanu no dziļām smadzeņu struktūrām, tostarp smadzenītēm, talāma un vidussmadzenēm. Tas ir īpaši nozīmīgi Dītrihsenam, kura pētījumi koncentrējas uz smadzenītēm un to savienojumiem ar smadzeņu garozu.

“Tradicionāli mēs uzskatījām, ka smadzenītes galvenokārt saistītas ar kustībām un koordināciju, taču arvien skaidrāks kļūst tas, ka tās piedalās arī prognozēšanā un izziņā. Tas padara smadzenītes par ļoti interesantu smadzeņu daļu, ko pētīt, aplūkojot, kā cilvēki mijiedarbojas ar mainīgu vidi,” sacīja Dītrihsens.

Pētnieki vēlas izprast individuālās smadzenes

Modernizētais skeneris nodrošinās arī daudz lielāku vizuālo displeju. Tas ļaus veidot dalībniekiem, kuri guļ skenerī, daudz ieskaujošākas vides. Pētnieki strādā pie 3D displejiem, kas varētu radīt sajūtu, ka cilvēks atrodas spēles pasaulē, lai gan fiziski viņš joprojām būs ierobežots MRI iekārtā.

Viens no projekta plašākajiem mērķiem ir atteikties no “vidējās” cilvēka smadzenes idejas. Individuālo smadzeņu uzbūve un darbība var ievērojami atšķirties, jo īpaši reģionos, kas iesaistīti sarežģītās darbībās un izziņā. Dītrihsens vēlas iegūt detalizētus datus par atsevišķiem dalībniekiem, pārbaudot viņus daudzās dažādās aktivitātēs.

“Ja nofotografējat mežu un visas tā koku fotogrāfijas uzliekat vienu virs otras, iegūstat ļoti izplūdušu priekšstatu par to, kā patiesībā izskatās koks: apakšā brūns, augšā zaļš,” sacīja Dītrihsens. “Tas pats notiek, kad mēs apvienojam smadzenes vidējā attēlā. Mēs vēlamies daudz detalizētāk izprast individuālās smadzenes.”

Šāda padziļināta individuālā kartēšana nākotnē varētu palīdzēt pētniekiem saprast, kāpēc cilvēku smadzenes ir organizētas atšķirīgi un kā tas var ietekmēt uzvedību. Tuvākais mērķis tomēr ir izveidot lielu, augstas kvalitātes datu kopu, ko varētu izmantot pētnieki visā pasaulē. Projekta dati tiks publiski kopīgoti nekomerciāliem pētījumiem.

Mākslīgais intelekts kļūs arī par eksperimenta dalībnieku

“Mākslīgais intelekts ir tikai tik labs, cik labi ir dati, ko tam sniedzat. Ja jums nav labu datu, jūs sākat ar atkritumiem,” sacīja Dītrihsens. Viņš skaidroja, ka pētnieki vēlas izveidot bagātīgu un kvalitatīvu datu kopu, kas ļautu uzdot jaunus jautājumus un izmantot metodes, par kurām pašlaik vēl nav iedomājušies.

Mākslīgais intelekts būs daļa ne tikai no projekta datu turpmākās izmantošanas, bet arī no paša eksperimenta. Pētnieki izstrādās mākslīgas sistēmas, kas varēs apgūt kognitīvus uzdevumus un spēlēt vienkāršas spēles. Vērojot, kā šīs sistēmas mācās orientēties, prognozēt un pieņemt lēmumus, zinātnieki cer izpētīt iespējamos risinājumus problēmām, ar kurām sastopas bioloģiskās smadzenes. Dītrihsens šādas sistēmas raksturo kā “intuīcijas sūkni” jeb rīku, kas palīdz domāt par sarežģītu sistēmu darbību.

Pētnieki neierosina atteikties no miera stāvokļa fMRI vai tradicionālajiem uz uzdevumiem balstītajiem eksperimentiem. Viņuprāt, videospēļu pieeja vienkārši atver vēl vienu smadzeņu funkcionālās ainavas daļu — to, kuru ar eksperimentiem, kas veidoti ap izolētiem jautājumiem un stingri kontrolētām atbildēm, sasniegt ir bijis grūti.

“Mēs cenšamies rūpīgi pētīt smadzenes tā, kā tās patiesībā darbojas,” sacīja Kalhema. “Videospēles dod mums iespēju daļu no šīs pieredzes ienest skenerī un sākt jautāt, ko smadzenes dara brīdī, kad cilvēks ir iesaistīts pasaulē.”