《PNAS》發表腦智卓越中心關于非人靈長類大腦預測性運動編碼的研究成果

發布時間:2022-03-21

  2022322日凌晨,《PNAS》在線發表了題為《后頂葉皮層在動態感覺運動控制中預測即將到來的運動》的研究論文,該研究由中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心(神經科學研究所)、上海腦科學與類腦研究中心、崔翯研究組完成。該研究設計了動態環境中的手動攔截行為范式并結合在清醒猴上的在體胞外電生理記錄,發現后頂葉的7a區編碼了將來手動運動方向的信息。該研究中采用的新穎行為范式,為將來動態感覺運動控制神經編碼的研究提供了重要基礎。 

  后頂葉皮層位于多個感覺通路的頂端,一般被認為在感覺整合、運動計劃、空間認知與注意調控中起關鍵作用。對于后頂葉皮層在運動計劃中的作用,學術界一直有爭議。有研究者認為后頂葉皮層只是為運動控制提供空間信息,但另外的觀點認為后頂葉皮層參與了運動意圖的形成并在運動控制中起積極作用。鑒于后頂葉皮層在感覺運動控制中的關鍵作用,以及近年來在后頂葉皮層上植入式腦機接口的研究進展,深入理解后頂葉皮層在感覺運動行為中的編解碼特性,無論在理論還是臨床應用上,都具有重要的意義。 

  以前對于后頂葉皮層在空間感覺運動控制行為的研究主要采用靜態的感覺目標來提示運動的方向,這導致感覺目標空間位置與最終的運動方向關聯鎖定,導致對相關神經信號的解釋難以區分是感覺信息還是運動信息的編碼。為了區分這兩種不同的神經編碼,需要一個嶄新的行為范式來解鎖感覺目標與運動方向的關聯。 

  在本研究中,崔翯研究組設計了一個動態手動攔截的行為范式:在實驗中,動物必須通過手動攔截一個運動的視覺目標(圖A);同時由于目標可能以不同的速度和方向進行運動,使得在某一個時刻處于同一位置的目標因為不同的運動速度會觸發不同方向的手動,而在某一時刻處于不同位置的運動目標也可能導致相同方向的手動(B左上和左下)。因此,通過考察某個神經信號對目標位置選擇性或者手動方向選擇性是否會隨著目標運動速度而變化,就可以判斷出該神經信號編碼目標的位置信息還是將來的手動方向信息:如果神經活動對目標位置的方向調諧不隨目標運動速度而變化,但對手動的方向調諧受到目標速度的影響,說明該神經活動編碼了目標位置的信息B中);反之,該神經活動編碼了手動方向的信息B右)。 

  在實驗中,團隊成員對兩只正在完成動態手動攔截的獼猴進行了在體細胞外電記錄。記錄的腦區包括了后頂葉皮層的7a以及5d區。為了分析這兩個腦區神經元對目標位置或手動方向的編碼,研究者對細胞發放率的目標位置方向調諧曲線以及手動方向調諧曲線采用了高斯曲線擬合以提取出最優方向,并通過考察在不同目標運動速度下,調諧曲線的最優方向的方差來確定細胞對目標位置(或手動方向)調諧的不變性。為了進一步研究7a以及5d區在細胞群體水平上對目標位置或手動方向的編碼,研究人員采用了支持向量回歸的機器學習方法。首先用動物對靜止目標進行手動攔截時采集的細胞發放率數據對支持向量回歸的模型進行訓練,使得模型能通過細胞群體發放率模式來編碼靜止目標的位置(同時也是手動的方向),然后用訓練好的模型對運動目標進行手動攔截時采集的群體發放率數據進行解碼,再計算出解碼得到的方向與實際的目標位置或者手動方向的誤差,通過比較兩種不同的誤差的大小可以評估細胞群體更偏好于編碼目標位置還是手動方向。 

  結果顯示,后頂葉皮層7a區對目標位置方向調諧曲線的最優方向會隨目標運動的速度而變化,而手動方向調諧曲線的最優方向基本不隨目標運動速度的變化而改變(C左,不同顏色代表不同的目標運動速度)。傳統認為與手動控制聯系更為緊密的后頂葉皮層5d區中,神經元對目標位置方向調節曲線和手動方向調諧曲線都會受到目標運動速度的影響(C右)。在細胞群體上,對7a在當手動攔截運動目標時采集的細胞發放率進行解碼得到的方向與手動方向的誤差要顯著小于與目標位置方向的誤差(圖D左);而對5d區細胞發放率進行解碼所得的這兩種誤差之間沒有顯著性差異(圖D右)。以上的結果表明,后頂葉皮層7a區編碼了將來的手動運動方向而不是視覺目標的位置。這個結果提示著后頂葉皮層在運動準備中起著積極的作用。 

  該研究成功建立了一種行為范式以分離神經活動對視覺目標信息和運動控制信息的編碼,并在非人靈長類后頂葉皮層證明了神經活動對這兩種高度相關的信息的編碼的分離。該研究建立的實驗范式為在復雜動態環境下實時解碼感覺和運動信息,以及基于腦機接口的感覺和運動假體的研發奠定了堅實的神經科學基礎。 

  中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心崔翯研究員為本文的通訊作者,博士后李宇輝和王勇分別為本文的第一和第二作者。本工作得到科技部、基金委、上海市、中科院、美國懷特號和斯隆基金會的資助。 

 

  圖注(A)動態手動攔截的行為范式。(B)神經信號分別對感覺和運動編碼導致不同目標速度下調諧曲線差異的理論預測。(C)后頂葉皮層兩個腦區神經元對運動方向調諧曲線在目標運動速度下不變性的分析結果。(D)后頂葉皮層7a5d兩個腦區神經元群體解碼分析的結果。 

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