运动皮层的高频脑电波模式可以预测即将到来的运动

Nicholas G. Hatsopoulos博士，芝加哥大学有机生物学和解剖学教授，长期以来一直对太空感兴趣。具体来说，就是大脑所占据的物理空间。

“在我们的大脑里，大脑都是皱巴巴的。如果你把人类皮层平摊成一张2D纸，它将覆盖2.5平方英尺的空间——大约是4张纸的大小。你可能会认为大脑在组织的时候会充分利用这些空间活动模式但除了知道大脑的一块区域控制手臂，另一块区域控制腿之外，我们基本上忽略了大脑如何使用这种空间组织。”

在1月16日发表的一项新研究中美国国家科学院院刊，Hatsopoulos和他的团队已经发现了证据，证明大脑在运动过程中确实使用了神经元活动高频传播波的空间组织。

神经元活动传播波的存在已经得到证实，但传统上它们与动物的一般行为状态(如清醒或睡眠)有关。这项研究是第一个证据，表明在运动皮层中，神经元活动的空间组织招募可以告知计划运动的细节。

该团队希望这项工作将有助于研究人员和工程师如何解码运动信息，以建立更好的脑机接口。

为了进行这项研究，研究人员在猕猴做一项需要移动操纵杆的任务时，记录了植入猕猴初级运动皮层的多电极阵列的活动。然后，他们寻找波浪状的活动模式，特别是那些高振幅的活动。

该研究的第一作者、Hatsopoulos实验室的研究生魏亮说:“我们专注于高频波段信号，因为其信息丰富，空间范围理想，并且易于在每个电极上获取信号。”

他们发现，这些传播波由数百个神经元的活动组成，根据猴子推动操纵杆的方向，在皮层表面向不同的方向传播。

哈特索普洛斯说:“这就像一系列多米诺骨牌倒下一样。“我们过去看到的所有波浪模式都没有告诉我们动物在做什么，它会发生。这非常令人兴奋，因为现在我们正在观察这种传播波的模式，并表明波的方向可以告诉你动物将要做什么。”

研究结果提供了一种观察大脑皮层功能的新方法。“这表明空间确实很重要，”Hatsopoulos说。“我们不仅仅关注神经元群体做什么和关心什么，我们看到了携带信息的空间组织模式。这是一种非常不同的思考问题的方式。”

这项研究很有挑战性，因为他们研究的是个体运动的活动模式，而不是重复试验的平均记录，这可能会很吵。该团队能够开发一种计算方法来清理数据，在不丢失重要信息的情况下，提供被记录的信号的清晰度。

Hatsopoulos说:“如果你在试验中求平均，你会错过信息。”“如果我们想要将这个系统作为脑机接口的一部分来实现，我们就不能对试验进行平均——你的解码器必须在运动发生时动态地进行，这样系统才能有效地工作。”

知道这些波包含有关运动的信息，为理解大脑如何运动身体打开了一扇门，这反过来又可以为驱动未来脑机接口的计算系统提供额外的信息。

Hatsopoulos说:“到目前为止，空间维度基本上被忽略了，但这是我们可以用来理解皮层功能的一个新角度。”“当我们试图理解大脑皮层正在进行的计算时，我们应该考虑神经元是如何在空间上布局的。”

未来的研究将研究是否在更复杂的运动中看到类似的波动模式，例如与简单的点到点接触相对的连续运动，以及是否对大脑进行波状电刺激大脑能偏向猴子吗运动．

这项研究的题目是“在猕猴之间传播时空活动模式”运动皮层携带运动信息。”