连续感觉运动转换增强猕猴运动皮层神经动力学对扰动的鲁棒性：运动控制机制的新突破
《Nature Communications》：Continuous sensorimotor transformation enhances robustness of neural dynamics to perturbation in macaque motor cortex
【字体：
大
中
小
】
时间：2025年04月05日
来源：Nature Communications 14.7
编辑推荐：
在运动控制研究中，为探究运动皮层神经动力学如何适应动态环境及对扰动的响应，研究人员训练猴子进行静态或移动目标抓取任务，施加皮层内微刺激（ICMS）。结果发现连续感觉运动转换可增强运动皮层对扰动的恢复力，这对理解运动控制机制意义重大。
在神经科学领域，大脑如何控制运动一直是备受关注的话题。随着研究的深入，人们对皮层控制运动的理解已从传统的表征观点逐渐转向动力系统观点。然而，目前仍有许多关键问题尚未完全明晰。例如，神经动力学究竟如何适应动态环境变化，以及面对各种扰动时又会有怎样的表现，这些问题如同迷雾，笼罩在科研人员心头，阻碍着我们对大脑运动控制机制的深入理解。
为了驱散这些迷雾，来自中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心、北京脑科学与类脑研究中心等机构的研究人员开展了一项极具意义的研究。他们将目光聚焦于猕猴的运动皮层，试图揭开运动控制的神秘面纱。最终，研究人员发现连续的感觉运动转换能够显著增强运动皮层神经动力学对扰动的鲁棒性，这一发现意义非凡，为我们理解大脑运动控制机制提供了全新的视角，相关研究成果发表在《Nature Communications》上。
在研究过程中，研究人员运用了多种关键技术方法。实验对象选取了三只成年雄性恒河猴，为实验提供了稳定的样本来源。在任务设计方面，采用手动延迟拦截任务，让猴子对静态或移动目标进行抓取，精确控制实验变量。利用皮层内微刺激（ICMS）技术干扰神经活动，同时结合 64 通道线性探针记录神经元活动，获取丰富的神经数据。此外，还借助 Vicon 运动捕捉系统和 Eyelink 红外相机分别对猴子的手部运动轨迹和眼动进行追踪记录，从多个维度收集数据，为后续分析提供了坚实的基础。
研究结果如下：
静态和移动条件下的抓取运动学：研究人员训练两只猴子执行延迟中心 - 外周抓取任务，目标分为静态和旋转（需拦截）两种。猴子在两种条件下的抓取轨迹相似，但移动条件下的手部峰值速度更高，反应时间（RTs）通常更长。较长的延迟期对不同猴子在不同条件下的 RTs 影响各异，这表明延长准备时间有助于充分的运动规划。
扰动对抓取起始的影响：研究人员通过 ICMS 对初级运动皮层（M1）或背侧前运动皮层（PMd）进行刺激，发现 ICMS 对抓取精度和运动学影响较小，但对 RTs 影响显著。在静态条件下，ICMS 延长了 RTs；而在移动条件下，ICMS 反而缩短了 RTs，且这种效应具有位置依赖性。
移动条件下从扰动状态更快恢复：对与 ICMS 同时记录的神经活动进行分析，发现 ICMS 后，移动条件下的神经状态与完整状态的偏差更小，恢复速度更快。这一结果表明，移动条件下神经状态受干扰较小，甚至动力学加速，可能是因为神经状态的快速演化减少了恢复时间。
静态和移动条件在单神经元水平的差异：在单神经元活动层面，静态和移动条件存在明显差异。移动条件下，神经元对感觉运动信息的表征是一个逐渐的过程，而静态条件下该过程在目标出现（TO）后迅速完成。这意味着两种条件下神经动力学存在本质区别。
移动条件下准备过程中的连续感觉运动转换：通过主成分分析（PCA）和靶向降维（TDR）等技术对神经群体动力学进行研究，发现静态和移动条件下神经轨迹的主要差异出现在延迟后期。移动条件下，神经状态围绕目标位置和抓取方向持续变化，表明存在连续的感觉运动转换；而静态条件下，运动计划在 TO 后迅速形成并保持稳定。
输入驱动模型模拟 ICMS 对 RTs 的影响：研究人员构建了一个神经网络模型，该模型假设在移动条件下最优状态不断更新，以模拟连续的感觉运动转换，而静态条件下最优状态保持不变。模型结果显示，连续的外部输入有助于减少扰动引起的误差，从而抵抗 RTs 延长，这与实验结果相契合。
对移动条件下 ICMS 诱导加速效应的合理解释：PreGO ICMS 在移动条件下缩短 RTs 的机制尚不明确。研究人员通过分析眼动发现，猴子在延迟拦截任务中需要在快速响应和准确追踪目标之间权衡。PreGO ICMS 可能作为一个辅助线索，促进了视觉 GO 信号的识别，进而缩短了 RTs。
在结论和讨论部分，研究表明连续的感觉运动转换增强了运动皮层在手动拦截过程中的恢复力。这一发现揭示了运动皮层动力学源于感觉运动转换，它整合了外周感觉输入和来自其他皮层及皮层下区域的情境信息。然而，该研究也存在一定局限性，如记录的神经元群体相对较小，可能影响对神经动力学细微差异的解释。尽管如此，该研究仍为我们理解大脑运动控制机制提供了重要依据，强调了考虑外部输入对皮层动力学影响的重要性，为后续研究指明了方向，激励科研人员进一步探索大脑运动控制的奥秘。
相关新闻