Nature Communications | 北京脑所崔翯团队发现灵长类运动皮层对序列运动的动态编码机制
2024年4月11日，北京脑科学与类脑研究所崔翯实验室在Nature Communications发表题为"Multiplicative Joint Coding in Preparatory Activity for Reaching Sequence in Macaque Motor Cortex"的研究长文。文章揭示了猕猴运动皮层神经元在序列运动过程中的动态编码机制。对神经元活动模式的回归分析表明，运动皮层在序列运动的全程均编码运动序列信息，在运动准备期以非线性的增益调制编码运动单元之间的互作信息，而在执行阶段以线性叠加方式并行编码两个独立的运动单元。这一结果表明运动皮层对序列运动的编码既非整体也非孤立的，而存在动态变化的互作编码机制。对这一机制的理解，可以帮助我们构建针对复杂运动的解码器和脑机系统。
The He Cui Laboratory at the Chinese Institute for Brain Research (CIBR) published a research atricel titled “Multiplicative Joint Coding in Preparatory Activity for Reaching Sequence in Macaque Motor Cortex” in Nature Communications on April 11, 2024. The study reveals that the motor cortex neuron can encode interacive components of movement elements in a sequence during preparation. Regression anaylsis sugguests a transformed coding mechnism from multiplicative coding during motor preparation to additive coding during motor execution. These findings suggest that sequential movement is encoded neither in integrative or independent manner in motor cortex but in different ways in different epochs. This study applied the dynamical systems view at the neural coding level, indicates that the population function changes as temporal evolution. Understanding of the coding mechanism may help building decoders for complex movement and refined BMI system.
日常生活中的运动大多是连贯而复杂的，如拿起水杯喝水这样一个再普通不过的行为也是视觉引导下由多个运动单元组成的自主序列运动。
运动皮层长期以来认为是计划和生成运动的核心脑区。大量证据表明运动皮层的神经活动与运动方向、速度、距离和轨迹等多种运动变量相关。然而，这些研究通常采用快速的单元运动，对于包含多个单元的序列运动研究则较少。
前人对于序列运动在运动皮层编码的研究发现大多数神经元表现出与序列相关的活动，这种反应出现自运动准备期并在运动执行期变得更加明显。尽管单神经元受到序列调制，其神经群体的线性解码精度却保持着与非序列运动解码相当的一致性。基于这些现象，对于序列相关活动的性质主要有两种假说：一是整体编码假说，认为运动序列作为一个整体在运动皮层进行编码，神经元序列相关活动是这一编码的表现；其二是平行编码假说，认为序列运动中的多个运动单元分别独立的被编码，序列相关活动是多个运动单元独立编码的叠加导致的。
原则上，一个连续的动作序列由时空上协调的复杂运动单元组成，而不是一系列独立运动单元的简单叠加。然而近期的一项研究（Zimnik & Churchland, Nat Neurosci, 2021）支持了上述的平行编码假说，发现运动皮层在序列运动执行过程中存在两个运动规划过程，而非对整个运动序列的单次运动规划。
但是存在两个运动规划过程并不意味着对运动单元编码的独立性，平行编码假说也无法解释序列影响下的线性解码器鲁棒性现象。尽管序列运动对运动皮层神经元活动造成影响的诸多实验结果被报道，其背后的编码机制和作用仍未被探索。
在刚刚发表的本研究中，北京脑所崔翯团队的王天威等人训练猕猴完成多方向的单次伸手点按（Single reach, SR） 和两次伸手点按（Double reach, DR）任务（图 1）。
Figure 1 Double reach 任务范式及猕猴行为数据
在猕猴执行任务的活动中，研究人员通过运动捕捉、表面肌电的方式记录运动行为数据，同时通过神经电生理技术记录运动皮层的神经电信号。在行为上，相同方向的SR和DR的第一运动单元具有相似的运动轨迹，指尖的运动速度和小臂的肌肉电活动也具有极高的相关。
Figure 2 示例神经元
尽管行为具有极高的相似性，运动皮层的神经元活动则表现出受序列调制的响应模式。在运动起始（MO）前后相同方向的运动受序列影响可能表现出不同的方向偏好行和发放率大小，这种序列影响也会出现在出发信号（GO）呈现前的刺激呈现（cue）和记忆阶段（memory）。统计结果表明，46% 的神经元在准备期收到序列调制，这一比例在执行期提高到 86%。
通过对单神经元结果的观察可以发现，神经元表现出的序列调制具有异质性，并且在不同运动方向上并没有一致的规律。为了解释这种现象，本文研究者基于序列运动编码的两种假说建立了神经活动方向编码的“加和（additive）”和“乘积（multiplicative）”模型对神经元发放率进行回归分析。加和模型基于平行编码假说，认为任意时刻的神经元活动可以被拆分为各个运动单元的独立成分；乘积模型认为序列调制来自于运动单元间的相互作用，而运动方向的积是编码中最常见的一种增益调控方式。回归分析的结果表明，乘积模型在运动起始（MO）前的准备阶段表现优于加和模型，而加和模型在MO后表现优于乘积模型。通过示例神经元不同阶段的方向调谐曲线可以发现，在准备期方向调谐的余弦曲线周期缩短频率加倍，而乘积模型可以模拟这种变化；相反在执行阶段，调谐曲线产生了相位漂移的现象，偏好方向发生改变，这与加和模型的性质相吻合。
Figure 3 示例神经元方向调谐曲线和模型拟合结果
正因为两种模型的不同编码机制，可以通过模型权重的随时间的变化观测到运动皮层编码机制的动态演变。可以发现，MO前后确实存在对两个运动单元的独立编码，但在准备期到第二运动起始之间的这段时间，存在两次运动的互作成分，这一成分是方向特异的且与神经元的偏好性紧密相关。
为了进一步探究神经群体层面对序列运动的表征结构，研究人员对GO之前不包含任何运动执行信息的准备期活动进行降维分析。在SR子空间中，DR试次的神经状态分布服从第一运动条件，这与前人发现的线性读出鲁棒性结果相符。但改空间对DR试次的解释方差较低，说明第一运动条件在DR试次的神经群体活动中占比低于SR试次。进一步，对具有相同第一运动方向的DR试次降维发现神经状态产生了基于第二运动方向聚类结构。这说明序列运动的初始状态表征是非线性的。同时，使用群体神经信号解码第一和第二运动的准确率也符合回归分析中各个成分的权重变化。综上可以说明，序列运动既非整体地编码于运动皮层，也非独立编码，后续运动会在第一运动的最优子空间内产生投影，并在运动起始后演化为新的运动规划。
Figure 4 神经群体初始状态降维结构和解码准确率
训练循环神经网络完成同样的序列运动，可以发现网络节点表现出与真实运动皮层活动相似的神经元活动，同样表现出了乘积编码到加和编码的动态特性。这些结果表明，运动皮层在将多个运动元素串联成一个序列的过程中起到关键作用，类似增益调制的乘积编码方式可以自发地产生于序列信息输入到顺序输出的变换过程中。乘积编码的序列相关准备活动可以解释线性解码器在序列调制下的鲁棒性，还可能在运动学习过程中起到重要作用。
Figure 5 循环神经网络模拟序列运动结果
论文信息
北京脑科学与类脑研究所崔翯实验室特别研究助理王天威博士为本文第一作者，崔翯研究员为本文通讯作者。其他作者还包括崔翯实验室特别研究助理陈韵博士和张艺衡博士。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。
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