非人灵长类大脑预测性运动编码研究取得新成果

3月22日，《美国国家科学院院刊》在线发表了题为《后顶叶皮层在动态感觉运动控制中预测即将到来的运动》的研究论文，该研究由中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心（神经科学研究所）、上海脑科学与类脑研究中心、神经科学国家重点实验室崔翯研究组完成。该研究设计了动态环境中的手动拦截行为范式并结合在清醒猴上的在体胞外电生理记录，发现后顶叶的7a区编码了将来手动运动方向的信息。该研究中采用的新颖行为范式，为将来动态感觉运动控制神经编码的研究提供了基础。

后顶叶皮层位于多个感觉通路的顶端，一般被认为在感觉整合、运动计划、空间认知与注意调控中起关键作用。对于后顶叶皮层在运动计划中的作用，学术界一直有争议。有研究者认为后顶叶皮层只是为运动控制提供空间信息，但另外的观点认为后顶叶皮层参与了运动意图的形成并在运动控制中起积极作用。鉴于后顶叶皮层在感觉运动控制中的关键作用以及近年来在后顶叶皮层上植入式脑机接口的研究进展，深入理解后顶叶皮层在感觉运动行为中的编解码特性，无论在理论还是临床应用上都具有重要意义。

以前对于后顶叶皮层在空间感觉运动控制行为的研究主要采用静态的感觉目标来提示运动的方向，这导致感觉目标空间位置与最终的运动方向关联锁定，导致对相关神经信号的解释难以区分是感觉信息还是运动信息的编码。为了区分这两种不同的神经编码，需要一个崭新的行为范式来解锁感觉目标与运动方向的关联。

在本研究中，崔翯研究组设计了一个动态手动拦截的行为范式：在实验中，动物必须通过手动拦截一个运动的视觉目标；同时由于目标可能以不同的速度和方向进行运动，使得在某一个时刻处于同一位置的目标因为不同的运动速度会触发不同方向的手动，而在某一时刻处于不同位置的运动目标也可能导致相同方向的手动。因此，通过考察某个神经信号对目标位置选择性或者手动方向选择性是否会随着目标运动速度而变化，就可以判断出该神经信号编码目标的位置信息还是将来的手动方向信息：如果神经活动对目标位置的方向调谐不随目标运动速度而变化，但对手动的方向调谐受到目标速度的影响，说明该神经活动编码了目标位置的信息；反之，该神经活动编码了手动方向的信息。

在实验中，团队成员对两只正在完成动态手动拦截的猕猴进行了在体细胞外电记录。记录的脑区包括了后顶叶皮层的7a区以及5d区。为了分析这两个脑区神经元对目标位置或手动方向的编码，研究者对细胞发放率的目标位置方向调谐曲线以及手动方向调谐曲线采用了高斯曲线拟合以提取出最优方向，并通过考察在不同目标运动速度下，调谐曲线的最优方向的方差来确定细胞对目标位置（或手动方向）调谐的不变性。为了进一步研究7a区以及5d区在细胞群体水平上对目标位置或手动方向的编码，研究人员采用了支持向量回归的机器学习方法。首先用动物对静止目标进行手动拦截时采集的细胞发放率数据对支持向量回归的模型进行训练，使得模型能通过细胞群体发放率模式来编码静止目标的位置（同时也是手动的方向），然后用训练好的模型对运动目标进行手动拦截时采集的群体发放率数据进行解码，再计算出解码得到的方向与实际的目标位置或者手动方向的误差，通过比较两种不同的误差的大小可以评估细胞群体更偏好于编码目标位置还是手动方向。

结果显示，后顶叶皮层7a区对目标位置方向调谐曲线的最优方向会随目标运动的速度而变化，而手动方向调谐曲线的最优方向基本不随目标运动速度的变化而改变。传统认为与手动控制联系更为紧密的后顶叶皮层5d区中，神经元对目标位置方向调节曲线和手动方向调谐曲线都会受到目标运动速度的影响。在细胞群体上，对7a区在当手动拦截运动目标时采集的细胞发放率进行解码得到的方向与手动方向的误差要显著小于与目标位置方向的误差；而对5d区细胞发放率进行解码所得的这两种误差之间没有显著性差异。以上的结果表明，后顶叶皮层7a区编码了将来的手动运动方向而不是视觉目标的位置。这个结果提示着后顶叶皮层在运动准备中起着积极的作用。

该研究建立了一种行为范式以分离神经活动对视觉目标信息和运动控制信息的编码，并在非人灵长类后顶叶皮层证明了神经活动对这两种高度相关的信息的编码的分离。该研究建立的实验范式为在复杂动态环境下实时解码感觉和运动信息，以及基于脑机接口的感觉和运动假体的研发奠定了神经科学基础。

本研究得到科技部、国家自然科学基金委、上海市、中科院、美国怀特号和斯隆基金会的资助。

（A）动态手动拦截的行为范式。（B）神经信号分别对感觉和运动编码导致不同目标速度下调谐曲线差异的理论预测。（C）后顶叶皮层两个脑区神经元对运动方向调谐曲线在目标运动速度下不变性的分析结果。（D）后顶叶皮层7a和5d两个脑区神经元群体解码分析的结果。