Nasze poczucie kierunku ma tendencję do zanikania wraz z wiekiem. W czasopiśmie naukowym Nature Communications naukowcy z Niemieckiego Centrum Chorób Neurodegeneracyjnych (DZNE) oraz eksperci z USA donoszą o nowym spojrzeniu na przyczyny tego zjawiska. Według ich ustaleń, głównym źródłem błędów w określaniu położenia w przestrzeni – a co za tym idzie dalej – problemów z orientacją (przychodzących wraz z wiekiem) jest “hałaśliwe”, a przez to i nieprecyzyjne, postrzeganie prędkości, z jaką się poruszamy. Wyniki badań mogą przyczynić się do rozwoju narzędzi diagnostycznych służących wczesnemu wykrywaniu demencji i innych podobnych chorób.
Od bodźców wzrokowych po sprzężenie zwrotne mięśni i sygnały przekazywane przez układ przedsionkowy – ludzki mózg wykorzystuje szeroki zakres bodźców sensorycznych do określania pozycji i prowadzenia nas w przestrzeni. Zasadnicza część niezbędnego przetwarzania informacji odbywa się w korze śródwęchowej. W tym obszarze, który jest obecny w obu półkulach mózgu, znajdują się specjalne neurony, które generują mentalną mapę środowiska fizycznego, w którym się w danym momencie znajdujemy. W ten sposób informacje o rzeczywistej przestrzeni są tłumaczone na osobliwy format danych, który nasz mózg może przetworzyć. – System nawigacji człowieka działa całkiem dobrze. Ale nie jest pozbawiony wad – wyjaśnia prof. Thomas Wolbers – główny badacz w DZNE w Magdeburgu. – Dobrze wiadomo, że są ludzie z dobrym zmysłem orientacji i ci, którym trudniej jest się odnaleźć w przestrzeni. Ta umiejętność zwykle maleje z wiekiem, ponieważ starsi ludzie na ogół mają trudności z orientacją przestrzenną w porównaniu do młodych osób – zwłaszcza w nieznanym otoczeniu. Stąd szanse na zgubienie się rosną wraz z wiekiem.
Badania w przestrzeni wirtualnej
W celu zbadania i zrozumienia przyczyn tego spadku, naukowcy z DZNE pod kierownictwem Thomasa Wolbersa, we współpracy z ekspertami z amerykańskiego Instytutu Technologii w Massachusetts oraz Uniwersytetu Texasu w Austin, zaprojektowali specyficzny eksperyment. W sumie około 60 zdrowych poznawczo młodych i starszych dorosłych, który byli wyposażeni w gogle do rzeczywistości wirtualnej, musieli poruszać się i orientować – niezależnie od siebie – w środowisku generowanym cyfrowo. Jednocześnie uczestnicy poruszali się fizycznie po zawiłych ścieżkach. Asystował im eksperymentator, który prowadził za rękę osobę badaną. W ten sposób prawdziwa lokomocja prowadziła bezpośrednio do przemieszczania się (ruchów) w przestrzeni wirtualnej. – To sztuczne ustawienie, ale odzwierciedla ono aspekty rzeczywistych sytuacji – wyjaśnia Wolbers.
Podczas trwania eksperymentu kilkukrotnie poproszono uczestników o oszacowanie odległości i kierunku początkowego ścieżki. Ponieważ środowisko wirtualne oferowało tylko kilka wizualnych wskazówek do orientacji, uczestnicy musieli polegać głównie na innych bodźcach. – Przyjrzeliśmy się, jak dokładnie uczestnicy byli w stanie ocenić swoją pozycję w przestrzeni, a tym samym przetestowaliśmy integrację sensoryczną. Innymi słowy – zdolność do określania pozycji na podstawie świadomości ciała i percepcji własnego ruchu. Ścieżka sensoryczna jest uważana za centralną funkcję w orientacji przestrzennej- wyjaśnia dalej Wolbers.
“Hałaśliwy” model
W tym eksperymentalnym ustawieniu istotnym elementem było również matematyczne modelowanie danych pomiarowych. Opierało się ono na podejściu do opisania wpływu aspektów mogących prowadzić do zakłóceń w percepcji, takich jak hałas. – Ludzkie ciało i jego narządy zmysłów są dalekie od doskonałości. Na przetwarzanie informacji w mózgu wpływają zatem zakłócenia, które można interpretować jako informacyjny hałas. Jest to podobne do transmisji radiowej, w której hałas może nakładać się na rzeczywisty sygnał – tłumaczy Wolbers. – Za pomocą naszego modelu matematycznego byliśmy w stanie odkryć wkład różnych źródeł błędów i zidentyfikować co najbardziej zniekształca śledzenie pozycji, a co ma niewielki wpływ na to. Źródła tych błędów nigdy nie były badane na takim poziomie szczegółowości.
Przykładowo ocena danych wykazała, że obrót ciała w kierunku punktu początkowego ścieżki był zazwyczaj dość dokładny. Okazało się również, że błędy pamięci nie odgrywały praktycznie żadnej roli. – Aby określić położenie w przestrzeni podczas ruchu, musisz stale aktualizować swoją pozycję we własnym umyśle. To wymaga zapamiętania, gdzie byłeś chwilę wcześniej. W tym zakresie nasza analiza wykazała tylko minimalne błędy – powiedział Wolbers.
Kwestia prędkości
Wniosek zespołu badawczego jest zatem następujący – błędy w integracji ścieżek są spowodowane głównie przez “kumulację wewnętrznego szumu” w przetwarzaniu informacji. Zjawisko to jest prawdopodobnie konsekwencją w postrzeganiu prędkości ruchu. – Należy zauważyć, że ludzie intuicyjnie szacują pokonanie odległości na podstawie tego, jak długo i jak szybko pokonywali ją poprzednio. Jednakże nasze badanie sugeruje, że krytycznym źródłem błędu w określaniu pozycji nie jest percepcja czasu, a pozornie przypadkowe fluktuacje w aspekcie prędkości, które docierają do mózgu – wyjaśnia Wolbers.
To źródło błędu dominowało zarówno u młodszych osób (średnia wieku tej grupy to 22 lata), jak i starszych (średnia wieku 69 lat). – Młodzi badani byli generalnie lepsi w orientacji niż starsi uczestnicy badania. Co ciekawe, hałas wewnętrzny narastał z wiekiem. Zjawisko to jest najwyraźniej główną przyczyną deficytów w integracji ścieżki sensorycznej. Nie znamy jednak jeszcze dokładnego źródła tego hałasu i dlaczego on rośnie wraz z wiekiem – powiedział Wolbers.
Wczesne wykrywanie chorób neurodegeneracyjnych
W poprzednich badaniach prowadzonych przez Wolbersa w DZNE odkryto, że u zdrowych poznawczo starszych osób, niektóre neurony kory śródwęchowej – tak zwane komórki siatkowe – które są niezbędne do nawigacji przestrzennej, uruchamiają się nieregularnie. Innymi słowy – ich aktywność jest niestabilna. Wiązało się to z trudnościami w orientacji powiązanymi właśnie z wiekiem. Obecne wyniki sugerują, że te niestabilności nie wynikają z wadliwego działania samych komórek siatkowych, ale są spowodowane zewnętrznym szumem. Problem tkwi zatem w przepływie informacji, która dociera do kory śródwęchowej. Obserwacje pracy tej części mózgu mogą pomóc we wczesnym rozpoznawaniu chory Alzheimera.
– Choroba Alzheimera wiąże się z uszkodzeniem kory śródwęchowej we wczesnym stadium. Dlatego rozsądne jest założenie, że zaburzenia w orientacji, takie jak te, które objawiają się w tej chorobie, mają swój początek we wspomnianym obszarze mózgu – wyjaśnia dalej Wolbers. – Może to zapewnić możliwość odróżnienia normalnych problemów w orientacji związanych z wiekiem od tych powodowanych przez chorobę Alzheimera. W dłuższej perspektywie naszym celem jest opracowanie metod diagnostycznych, które wykrywają te chorobę na wczesnym etapie. Może to być możliwe przy użyciu takich technologii jak rzeczywistość wirtualna. Obecnie trwają przygotowania do badań klinicznych w tym zakresie.
Kiedy będziecie z dziadkiem lub/i babcią na spacerze, weźcie ich pod rękę a potem porozmawiajcie, z jaką prędkością poruszaliście się po parku. Badanie prędkości spaceru możecie łatwo wykonać jedną z wielu aplikacji na smartfona. Jednocześnie spróbujcie sami określić prędkość i porównajcie wyniki – jako element wspólnej zabawy.
Źródło: Sources of path integration error in young and aging humans (Nature Communications 2020), DZNE – German Center for Neurodegenerative Diseases