身体动作的神经密码

根据加州理工学院Richard Andersen实验室的研究人员的说法，大脑中的一小块神经元可以对身体许多部位的运动进行编码。Richard anderson是神经科学的James G. Boswell教授，天桥和Chrissy Chen脑机接口中心领导主席，也是天桥和Chrissy Chen神经科学研究所T&C脑机接口中心主任。理解这种神经密码可以帮助改善瘫痪患者或中风等神经疾病导致的运动障碍患者的生活。

该研究结果发表在7月20日的《英国科学》杂志网络版上神经元．

的运动皮层大脑中控制运动的区域位于感觉-运动通路的末端，控制身体的肌肉。这条路径的早期是后顶叶皮层(PPC)，这是一个高级认知区域，编码移动的意图。例如，当一个人想要喝一杯水时，PPC中表达这一意图的信号就会传递到运动皮层，运动皮层再沿脊髓向适当的肢体发送信号。2015年，Andersen和合作者成功地将微型假体植入瘫痪患者的PPC;这些所谓的神经义肢可以测量病人的动作意图，比如拿起杯子喝水，然后用机械臂精确地执行这些动作。

在目前的研究中，研究人员旨在发现PPC是如何编码和组织其他身体动作的神经信息的，比如用左右握杯子手或者想象和尝试某些身体动作。

为了做到这一点，研究人员将一个由96个电极组成的4 * 4毫米芯片植入PPC的一个被称为前顶骨内区(AIP)的细分区域，以测量一个自愿参加脑机接口临床试验的四肢瘫痪患者的神经活动。传统上，AIP被认为是专门抓取物体的。然而，研究人员发现AIP编码的不仅仅是抓握。

安德森说:“我们发现AIP中的不同神经元确实对不同的抓握有选择性，但我们也发现肩膀或手的动作被激活，无论是想象的还是尝试的，以及身体的任何一侧。”“事实上，部分细胞甚至被调谐到语音运动。在这么小的神经元群中发现这么多的信息真是令人惊讶。”

“这种紧凑的代码是通过所谓的混合编码实现的，”加州理工学院高级科学研究员、T&C脑机接口中心执行主任、联合主要作者Tyson Aflalo说。“在混合编码中，单个神经元将对不同的动作或变量的混合做出反应。例如，单个神经元可能会对左手和右肩的想象运动做出反应。我们研究的一个突破是，我们发现混合代码可以是高度结构化的。”

先前对混合编码的描述假设变量在神经元之间随机混合。然而，安德森的团队发现，由被移动的身体部分或效应器决定的变量混合有一个高度结构化的组织。

“效应器在神经群体中以一种很大程度上独立的方式编码——我们称之为功能分离，”加州理工学院研究生、共同主要作者Carey Zhang说。“身体侧面和认知策略——无论被试者尝试或只是想象运动——在效应表征中组织(高度相关)。例如，如果一个神经元对右手试图激活的运动做出反应，它也更有可能对左手试图激活的运动做出反应。”

“效应器的功能分离可能提供更有效的神经计算和学习，”安德森说。“例如，因为左手和右手的手部动态是相似的，用一只手学习应该很容易转移到另一只手。”

张说，由于功能分离，例如，学习一个新的手势只影响手，而不会产生肩膀的虚假动作。

根据研究人员的说法，PPC的这一区域可能仍然主要面向把握处理。然而，PPC与许多其他区域相连——它是一个所谓的关联皮层区域——因此，大量的身体信号可能反映了多个皮层区域的协调。安德森说，从神经修复术的角度来看，这是一个优势，因为一个小型植入物对少量神经元进行采样，就可以为许多类型的预期动作提供信息。

想象运动和尝试运动的认知策略的重叠具有重要的意义。阿夫拉洛说:“像体操运动员这样的运动员经常想象动作的顺序，并将其用于训练。”“我们发现，这种想象实际上激活了控制大脑的神经回路运动虽然不是完全相同的方式，所以我们仍然可以区分它们。”

“希望是这种理解神经的代码PPC的研究不仅可以应用于瘫痪，还可以应用于其他神经疾病引起的运动缺陷，比如中风后的行动困难，”安德森说。“这是我们的主要目标，改善患有创伤性脑损伤、中风、周围神经疾病和其他瘫痪疾病的人的生活。”

这篇论文的题目是“人类后顶叶联合皮层的部分混合选择性”。