В бейсболе подача может занять всего 400 миллисекунд, чтобы достичь пластины. При типичном времени реакции 200 миллисекунд и размахе около 150 миллисекунд, отбивающий должен решить, стоит ли качаться и как качаться, основываясь только на первых 10-20 процентах полета мяча. На этом этапе все еще существует большая неопределенность относительно скорости и траектории подачи. И все же нападающим бейсбольной лиги все же удается отбивать мяч примерно в 25% случаев - 40%, если бы это были Тед Уильямс или Тони Гвинн в своих простых числах.
Ученые давно интересовались тем, как отбивающие и другие атлеты обрабатывают эту неопределенную информацию.
«Тот факт, что люди вообще могут это делать, - это невероятный подвиг», - сказал Лейт Алхусейн, аспирант Гарвардской школы инженерии и прикладных наук им. Джона А. Полсона (SEAS).
Механизмы, лежащие в основе этих достижений, находятся в центре новых исследований Альхусейна и Мориса Смита, профессора биоинженерии Гордона Маккея в SEAS. Исследование было недавно опубликовано в журнале eLife.
Исследование решает давний вопрос о том, как мозг выбирает действие для выполнения, когда есть неуверенность в его конечной цели, обеспечивая фундаментальное понимание двигательного планирования в нервной системе.
«В реальном мире мы часто взаимодействуем с динамической средой, которая может быстро меняться непредсказуемым образом, и поэтому понимание механизмов, с помощью которых мы укрощаем эту неопределенность, имеет решающее значение для понимания в целом механизмов, которые мозг использует для выбора и планирования наших действий. в реальном времени ", - сказал Смит.
Предыдущие исследования двигательного планирования во время неопределенности показали, что мозг готовится ко всем потенциальным целям параллельно и усредняет двигательные планы для создания промежуточного движения, которое уточняется по мере появления дополнительной информации. Если бы это было так, мозг нападающего усреднил бы все возможные места, в которых поле могло бы пройти в зоне удара, и сгенерировал бы колебание на основе этого среднего значения, а затем немного подправил бы его по мере приближения высоты тона и развертывания поворота.
Но это ли на самом деле мозг?
«Хотя промежуточные движения широко наблюдаются, они могут вместо этого отражать нейронное решение о выборе единственного наилучшего действия в каждый момент времени, учитывая остающуюся неопределенность», - сказал Альхусейн. «В нашем исследовании мы систематически разделяем эти возможности с помощью нового эксперимента и обнаруживаем, что, сталкиваясь с неопределенностью, люди генерируют единый двигательный план, который оптимизирует выполнение задачи, а не усредняет потенциальные двигательные планы».
Исследователи разработали несколько разных экспериментов. В одном из них участникам давали цель на экране, к которой можно было прицелиться с помощью своего рода роботизированного джойстика. Когда участник приближается к цели, джойстик будет пытаться оттолкнуть его от цели, и участник должен будет компенсировать силу. В другом эксперименте участникам были поставлены две цели. Примерно на пятой части пути одна цель исчезнет, и участнику нужно будет захватить оставшуюся цель. Участник никогда не знал, какая цель исчезнет, поэтому он должен был прицелиться таким образом, чтобы у них был лучший шанс захватить любую цель. В еще одном эксперименте участники должны были захватить цель, избегая препятствий.
«Во всех случаях мы находим четкие доказательства того, что, сталкиваясь с неопределенностью , люди формируют единый двигательный план, который оптимизирует выполнение задачи на всех уровнях», - сказал Альхусейн. «Этот подход выбирает начальное действие, которое максимизирует конечный успех задачи».
Исследователи также разработали вычислительную модель, основанную на этой теории оптимизации производительности, на которую приходилось от 80 до 90 процентов дисперсии индивидуальных различий между участниками.
«Эта работа переворачивает старую десятилетиями теорию усреднения моторики и предлагает механистическую основу для понимания моторного планирования в нервной системе», - сказал Смит. «Тем не менее, механизм, с помощью которого мозг вычисляет наиболее оптимальное действие, еще предстоит раскрыть».
