Jak nervové obvody organizují výrazy obličeje

Když se na vás dítě usměje, je téměř nemožné mu úsměv neopětovat. Tato spontánní reakce na výraz obličeje je součástí pohybu tam a zpět, který nám umožňuje porozumět vzájemným emocím a duševním stavům.

Obličeje jsou pro sociální komunikaci tak důležité, že jsme vyvinuli specializované mozkové buňky, abychom je rozpoznali, jak zjistil Winrich Freiwald z Rockefellerovy univerzity. Je to jen jeden ze sady převratných zjištění, k nimž vědec dospěl v posledním desetiletí a které výrazně pokročily v neurovědě vnímání obličeje.

Nyní on a jeho tým v Laboratoři nervových systémů obrátili svou pozornost na protějšek vnímání obličeje: výraz obličeje. Jak neurální obvody v mozku a svaly na obličeji spolupracují, aby například vytvořily úsměv, zůstalo doteď velkou neznámou. Jak zveřejnili v VědaFreiwaldův tým objevil obličejovou motorickou síť a nervové mechanismy, které ji udržují v provozu.

V této první systematické studii neurálních mechanismů řízení pohybu obličeje zjistili, že oblasti mozku na nižší i vyšší úrovni se podílejí na kódování různých typů obličejových gest, což je v rozporu se zažitými předpoklady. Dlouho se mělo za to, že tyto aktivity byly segregované, přičemž emocionální projevy (jako je opětování úsměvu) pocházely z mediálního frontálního laloku a dobrovolné akce (jako je jídlo nebo mluvení) z laterálního frontálního laloku.

„Dobře jsme chápali, jak jsou obličejová gesta přijímána, ale nyní mnohem lépe rozumíme tomu, jak jsou generována,“ říká Freiwald, jehož výzkum podporuje Price Family Center for the Social Brain v Rockefelleru.

„Zjistili jsme, že všechny regiony se účastnily všech typů obličejových gest, ale fungují na základě svých vlastních odlišných časových plánů, což naznačuje, že každý region je jedinečně vhodný pro ‚práci‘, kterou vykonává,“ říká spoluautorka Geena Ianni, bývalá členka Freiwaldovy laboratoře a rezidentka neurologie v nemocnici Pensylvánské univerzity.

Odkud pochází mimika

Naše potřeba komunikovat prostřednictvím výrazů obličeje sahá hluboko – ve skutečnosti až k mozkovému kmeni. Právě tam se nachází takzvané obličejové jádro, ve kterém jsou uloženy motoneurony, které ovládají obličejové svaly. Promítají se také do více kortikálních oblastí, včetně různých oblastí frontálního kortexu, což přispívá jak k motorické funkci, tak ke komplexnímu myšlení.

Neuroanatomická práce prokázala, že v mozkové kůře existuje několik oblastí, které přímo přistupují ke svalům výrazu obličeje – což je jedinečný rys primátů –, ale jak každá z nich konkrétně přispívá, zůstalo do značné míry neznámé. Studie lidí s mozkovými lézemi naznačují, že různé oblasti mohou kódovat různé pohyby obličeje. Když mají lidé například poškozenou laterální frontální kůru, ztrácejí schopnost dělat dobrovolné pohyby, jako je mluvení nebo jídlo, zatímco léze v mediálním frontálním kortexu vedou k neschopnosti spontánně vyjádřit emoci, jako je návrat úsměvu.

Neztrácejí schopnost pohybovat svaly, pouze schopnost to dělat v určitém kontextu.“

Winrich Freiwald, Rockefellerova univerzita

„Zajímalo nás, zda by tyto oblasti mohly jedinečným způsobem přispět k výrazům obličeje? Ukazuje se, že to nikdo ve skutečnosti nezkoumal,“ říká Ianni.

Přijali inovativní přístup navržený laboratoří Freiwald a použili skener fMRI k vizualizaci mozkové aktivity opic makaků, když produkovaly výrazy obličeje. Přitom lokalizovali tři kortikální oblasti, které mají přímý přístup k obličejovému svalstvu: cingulární motorickou kůru (umístěnou mediálně) a primární a premotorickou kůru (umístěnou laterálně), stejně jako somatosenzorické kůry.

Mapování sítě

Pomocí těchto metod byli schopni zmapovat obličejovou motorickou síť složenou z neurální aktivity z různých oblastí frontálního laloku – laterální primární motorické kůry, ventrálního premotorického kortexu a mediálního cingulárního motorického kortexu – a primární somatosenzorické kůry v parietálním laloku.

Pomocí této cílené mapy byli vědci schopni zaznamenat nervovou aktivitu v každé kortikální oblasti, zatímco opice produkovaly výrazy obličeje. Vědci studovali tři typy pohybů obličeje: vyhrožování, mačkání rtů a žvýkání. Výhrůžný pohled makaka zahrnuje zírání přímo před sebe s otevřenou čelistí a vyceněnými zuby, zatímco makání rtů zahrnuje rychlé našpulení rtů a přitlačení uší k lebce. Oba jsou to sociálně významná, kontextově specifická gesta obličeje, která makakové používají k navigaci v sociálních interakcích. Žvýkání není sociální ani emocionální, ale dobrovolné.

Vědci použili různé dynamické podněty k vyvolání těchto výrazů v laboratoři, včetně přímé interakce s jinými makaky, videí jiných makaků a umělých digitálních avatarů ovládaných samotnými výzkumníky.

Byli schopni spojit nervovou aktivitu z těchto oblastí s koordinovaným pohybem konkrétních oblastí obličeje: očí a obočí; horní a dolní ústa; a spodní část obličeje a uší.

Vědci zjistili, že vyšší i nižší kortikální oblasti se podílely na vytváření jak emocionálních, tak dobrovolných výrazů obličeje. Ne všechna tato aktivita však byla stejná: neurony v každé oblasti pracovaly odlišným tempem, když produkovaly obličejová gesta.

„Postranní oblasti, jako je primární motorická kůra, obsahovaly rychlou neurální dynamiku, která se měnila v řádu milisekund, zatímco mediální oblasti, jako je cingulární kůra, obsahovaly pomalou, stabilní neurální dynamiku, která trvala mnohem déle,“ říká Ianni.

V související práci založené na stejných datech tým nedávno zdokumentoval v PNAS že různé kortikální oblasti řídící pohyb obličeje spolupracují jako jediná propojená senzomotorická síť a upravují svou koordinaci na základě vytvářeného pohybu.

„To naznačuje, že ovládání motoriky obličeje je dynamické a flexibilní, spíše než vedeno pevnými, nezávislými cestami,“ říká Yuriria Vázquez, spoluautorka a bývalá postdoktorka ve Freiwaldově laboratoři.

„To je v rozporu se standardním názorem, že fungují paralelně a odděleně,“ dodává Freiwald. „To opravdu podtrhuje konektivitu sítě obličejových motorů.“

Lepší rozhraní mozek-stroj

Nyní, když Freiwaldova laboratoř provedla významné vhledy do vnímání obličeje a výrazu v samostatných experimentech, v budoucnu by chtěl tyto doplňkové prvky sociální komunikace studovat současně.

„Myslíme si, že nám to pomůže lépe porozumět emocím,“ říká. „V této oblasti probíhá velká debata o tom, jak motorické signály interně souvisejí s emocemi, ale myslíme si, že pokud máte vnímání na jedné straně a motorickou odezvu na druhé, emoce se nějakým způsobem odehrávají mezi tím. Rádi bychom našli oblasti, které ovládají emoční stavy – máme představy o tom, kde se nacházejí – a pak porozuměli tomu, jak spolupracují s motorickými oblastmi, aby generovaly různé druhy chování.“

Vázquez vidí dvě možné budoucí cesty výzkumu, které by mohly stavět na jejich zjištěních. První zahrnuje pochopení toho, jak dynamické sociální podněty (obličeje, pohled očí), vnitřní stavy a odměna ovlivňují motorický systém obličeje. Tyto poznatky by byly zásadní pro vysvětlení toho, jak se přijímají rozhodnutí o produkci výrazu obličeje. Druhý se týká použití této integrované sítě pro klinické aplikace.

Zjištění mohou také pomoci zlepšit rozhraní mozek-stroj. „Stejně jako u našeho přístupu tato zařízení také zahrnují implantaci elektrod k dekódování mozkových signálů a poté převádějí tyto informace do akce, jako je pohyb končetiny nebo robotické paže,“ říká Freiwald. „Ukázalo se, že komunikace je mnohem obtížnější dekódovat. A vzhledem k důležitosti výrazu tváře pro komunikaci bude velmi užitečné mít zařízení, která dokážou dekódovat a přeložit tyto druhy signálů tváře.“

Ianni dodává: „Doufám, že naše práce posune pole, byť sebemenší, směrem k přirozenějším a bohatším návrhům umělé komunikace, které zlepší životy pacientů po poranění mozku.“