北京脑所崔翯团队发现灵长类运动皮层在动态神经反馈下的鲁棒性机制｜Nature Communications

2025年4月4日，北京脑科学与类脑研究所崔翯实验室在Nature Communications发表题为Continuous sensorimotor transformation enhances robustness of neural dynamics to perturbation in macaque motor cortex的研究长文，揭示了灵长类运动皮层在动态环境中抗微电流干扰的鲁棒性机制。

在2007年Churchland和Shenoy就观察到，微电流刺激（ICMS）运动皮层会导致猕猴在静态伸手任务中反应时延长，据此提出假设：大脑会推迟运动的启动，直到由意外干扰引起的神经准备活动中的错误得到纠正。该研究为这一假设提供了直接证据——在目标静止条件下，ICMS导致运动皮层的神经准备状态发生偏移，并需要额外的时间恢复。然而，在动态目标拦截任务中，ICMS并未影响拦截的准确性，也未导致反应时增加。郑聪等研究者发现，运动目标引发了运动皮层中的持续感知-运动转换，表现为延迟期（delay period）丰富而持续的神经活动。因此，与最优子空间假设（optimal-subspace hypothesis）一致，当运动准备活动仍具有可变性时，外部干扰的影响较小。然而，与该假设所提出的“干扰影响较小是因为干扰推动系统状态在非最优状态之间转换”这一机制不同，研究者发现在运动目标条件下，ICMS造成的神经状态偏移更小，且恢复速度更快，这表明错误得到了更迅速的修正。因此，该研究提出了一种对ICMS抗干扰效应的全新解释：持续动态演化的运动准备状态作为最优反馈控制器的一部分运行，就像自行车在运动中保持稳定一样，能够抵抗外界干扰。

研究者通过不引起肢体运动的阈下微电流刺激干扰猕猴运动皮层的运动准备相关活动。结果发现，静态目标下，猕猴在受到干扰后会发生反应时的增加，即运动启动延迟。但在拦截动态目标时则不会出现运动延迟，反而有时会出现运动提前，但运动准确性没有受到影响。神经群体活动分析显示，猕猴运动皮层神经轨迹在微电流刺激干扰后会偏离正常状态，而在动态目标伸手时，神经轨迹会更快的回到正常态，这与神经轨迹的演化速度相关。神经轨迹演化速度在动态目标下更快，因此，神经活动能更快从偏离的状态回归正常状态，使得运动不发生延迟（图1）。

进一步，研究者发现动态目标时准备活动会在目标观察期，或等待期持续进行，也就是感觉运动转换过程会在运动启动前持续发生。而静态目标时，目标出现后神经活动随即保持一个相对稳态，也就是对运动计划的维持。动态目标下神经活动演化速度更快可能与持续的运动准备活动相关。随着目标运动带来的运动准备不断进行，也一定伴随着来自其他脑区信息的不断输入（图2）。

既往研究已经证明运动皮层外其他脑区，尤其是来自下丘脑的动态输入对运动皮层运动生成相关的神经动态有重要贡献，而根据皮层实时状态进行最优反馈控制更新的这种输入，有可能是运动准备快速完成的关键。因此，研究者用一个模型说明了研究者的猜想，即动态目标运动准备过程中，来自其他脑区不断更新的输入能够纠正微刺激带来的干扰，从而不发生运动延迟。而静态目标时，由于缺少这样时时的纠正输入，干扰不能被及时清除，错误不断积累，刺激结束后，错误的清除需要时间，从而造成运动的延迟（图3）。

对于动态目标下的运动提前现象，研究者通过眼动数据分析，发现动态目标时，眼动会更早，更经常地追随外周目标的运动，而这会与识别屏幕中心点变暗的“Go”启动信号产生矛盾。与之相对的是，静态任务下，目标出现后眼动往往很快会回到屏幕中心，因此对“Go”信号反应更加迅速。既往许多研究发现，在运动皮层和前运动皮层的电刺激可以指示猕猴进行物体的选择，而初级体感皮层的电刺激能够引起运动皮层相关刺激活动。研究者提出一个可能性，即在电刺激不引起明显运动活动干扰时，在视觉“Go”信号附近出现的电刺激信号也许能作为一个“隐式”的“Go”信号提示猕猴可以伸手，比没接受电刺激时更及时的伸手拦截（图4）。

这些发现不仅说明了持续的运动计划过程能带来运动皮层活动的鲁棒性，拓宽了研究者对运动皮层准备活动特性的理解，也提示运动皮层也许能够替代初级体感皮层，为双向闭环脑机接口提供输入的渠道。未来如果能够在运动皮层植入高通量微电极，选择大部分电极进行解码输出，少量特异性电极进行电刺激反馈输入，将替代传统的运动皮层输出，体感皮层输入的双电极模式，从而大幅度减少手术创伤，提高电极利用效率和信息传输率，提升用户的反馈控制性能和体验。

在国内现有的脑机接口研究与应用中，机械假肢控制领域仍是一片空白，而双向闭环脑机接口更是鲜有人涉足。这一现象不仅源于当前的运动控制的神经机制尚未与实际应用有效结合，还受限于闭环刺激的研究方法论和技术体系仍不够成熟。该研究中的发现不仅（1）为动态运动规划情况下运动皮层对微电流刺激的鲁棒性提供了理论依据，（2）积累的皮层微电流刺激实验经验能直接为未来双向闭环脑机接口系统研发提供技术支持和指导，还（3）提出了一种创新性的双向闭环脑机接口设计方案。

论文信息

北京脑科学与类脑研究所崔翯实验室助理研究员郑聪博士为本文第一作者，郑聪博士和崔翯研究员为本文共同通讯作者。崔翯实验室已毕业研究生王启凡也为该研究做出重要贡献。本研究得到科技部、基金委、上海市和中科院等多个项目的资助。

原文链接

https://www.nature.com/articles/s41467-025-58421-1