你的大脑是如何记住运动序列的

有没有想过，当约翰·柯川(John Coltrane)在他的专辑《Giant Steps》中演奏著名的独唱时，他的大脑里在想什么?日本国家信息与通信技术研究所(NICT)和加拿大西部大学的研究人员成功地可视化了在熟练的手指运动序列表现过程中，信息是如何在人类大脑皮层的广泛区域中表现出来的。

与通常的假设相反，研究人员发现前运动皮层和顶叶皮层的重叠区域代表了多个水平的序列电动机层次结构(例如，几个手指运动的块，或几个块的块)，而单独的手指运动(即，层次结构中的最低级别)在初级运动皮层．这些结果揭示了人类大脑皮层序列表示的第一张详细地图。研究结果也可能为寻找新的候选脑区作为运动脑接口应用的信号源或开发更复杂的算法来重建复杂的运动行为提供一些线索。

该研究结果作为Yokoi和Diedrichsen的“人类新皮层中分层运动序列表示的神经组织”发表在网上神经元2019年7月22日。

成就

记住/产生长而复杂的电机序列的最好方法是递归地将它们分成几个小块。例如，一个音乐片段可能被记忆为一系列较小的块，每个块代表一组经常同时出现的音符。长期以来，这种等级组织一直被认为是我们控制运动序列的基础，从演奏音乐等高度熟练的动作，到泡一杯茶等日常行为。然而，对于这些层次结构是如何在我们的大脑中实现的，我们知之甚少。

在一份杂志上发表的一项新研究中神经元， Atsushi Yokoi，信息和神经网络中心(CiNet)， NICT，和Jörn Diedrichsen，大脑和心理研究所，西部大学，提供了如何通过人类大脑皮层的群体活动来表示等级组织序列的第一个直接证据。

研究人员测量了精细的功能磁共振成像活动模式，而人类参与者产生了8种不同的记忆序列，11次手指按压。该研究的资深作者、加拿大西部大学运动控制和计算神经科学西部研究主席迪德里克森说:“记住11种手指按压的8种不同顺序是一项艰巨的任务，所以你肯定需要把它们按等级组织起来。”“为了研究层次结构，你真的需要序列具有如此多的复杂性。目前很难训练动物学习这样的序列，”该研究的主要作者Yokoi补充道，他是Diedrichsen团队的前博士后研究员，因为他们都在英国伦敦大学学院认知神经科学研究所工作，现在是日本NICT CiNet的研究员。

通过一系列仔细的行为分析，研究人员可以证明，参与者按照三级层次对序列进行编码;(1)单个手指按压，(2)由两个或三个手指按压组成的块，以及(3)由四个块组成的整个序列。然后，他们可以用机器描述与这些层次结构相关的功能磁共振成像活动模式学习技术。

正如预期的那样，初级运动皮层(控制手指运动的区域)的模式似乎只取决于每根手指的移动，而与它在序列中的位置无关。高阶运动区域的活动，如前运动区和顶叶皮质，可以清楚地显示出在块或整个序列的水平上编码顺序上下文。因此，与初级运动皮层相比，这些区域“知道”手指按压之前和之后所玩的游戏。

这项研究第一次让我们得以深入了解这些高阶表征的组织结构。令人惊讶的是，不同层次的序列信息有很大的重叠。无监督聚类方法将这些区域进一步细分为不同的集群，每个集群都有不同的表示混合比例，就像使用iPhone存储一样。这些结果揭示了人类大脑皮层序列表示的第一张详细地图。

研究的影响

认知神经科学中的一个常见假设是，功能层次的每个层次都反映了解剖层次，从更高的关联皮质(例如，前运动皮质或顶叶皮质)到初级感觉运动皮质。清晰的解剖分离(即单个手指与其他表征)和重叠(即块和序列表征)的神秘共存，为功能和解剖层次之间的对应关系这一经典问题提供了新的解释。“可以说，大脑以部分等级化、部分扁平化的方式表现运动序列。”

“虽然它的功能作用尚不清楚，但块和序列表征之间的解剖学重叠可能表明，这些在上层运动层次中的表征可能相互影响，以支持灵活的序列生成。这需要在未来的研究中进行测试，”横井总结道。

未来前景

该研究还提出了可能的位点，我们可以从这些位点记录大脑信号来控制神经义肢，从而在潜在的BCI应用中制作流畅的运动序列。研究人员还希望它能有助于开发一种新的解码算法，有效地结合不同层次的信息来再现动作。