心理所發現獼猴頂葉手部運動編碼新機制

　　腦機接口研究是指在腦與外部設備間建立起直接的信息傳遞，實現人腦控制外部設備達到與環境交互的目的。這一技術在臨床上的應用可以幫助肢體運動功能障礙患者康復和重建運動功能。目前，植入式腦機接口研究多針對運動皮層(M1)，主要是提取這些運動區神經元鋒電位信號中編碼的運動信息。神經元鋒電位信號(spiking)具有較高的時間和空間分辨率，但在實際應用中往往難以維持長時間的穩定采集。近年來研究表明，局部場電位信號 (LFP)，即一定范圍內神經元群體的閾下突觸電活動水平，也包含著豐富的運動信息。由于LFP與其他非植入腦成像信號(如fMRI、EEG等)具有很高的信號相似度和信息相關性，因此受到了廣泛的關注，特別是無創傷腦機接口研究者的熱捧。但是，問題是，神經元spiking和LFP所編碼的信息內容會是一致的嗎？這些信息多大程度上與腦成像fMRI信號吻合呢？

　　腦機接口研究的另一趨勢是，探索運動皮層M1之外其他能編碼運動相關參數的新信號源，這可以幫助那些由于神經退行性疾病導致M1腦區病變的患者。比如，位于后頂葉(PPC)的頂內溝內側(MIP)和外側(LIP)神經電活動分別能編碼手動和眼動計劃的終點位置。盡管與M1相比，后頂葉只能編碼抽象的運動方位信息(沒有速率、肌肉收縮舒張等細節)，但一般來說，抽象的動作意圖往往也就足夠了,腦機接口外部設備只需要知道人的主觀意愿，比如，想拿起辦公桌上的水杯，具體的執行過程可以交給外部機械設備（如機械手臂旋轉的角度、力道、方向等）。但是，問題是我們目前對這些抽象動作意圖的內容還不是很清楚。動作意圖是指運動的物理執行內容(比如，手向右觸摸)，還是指動作完成后需達到的視知覺效果(比如，手出現在右邊)？在日常生活中，這兩者在空間上通常是一致的，沒有區別，我們也很少留意。但是，對于基本的知覺運動整合理論以及腦機接口研究來說，兩者所表征的內容迥異：前者代表的是運動的物理實施，后者代表的是視知覺預期。

　　為了探索以上這些問題，中國科學院心理研究所以非人靈長類獼猴為動物模型，以大腦后頂葉MIP區編碼的手部運動為工作模型，訓練獼猴在一定的視覺條件和動作規則下完成手部觸摸動作從計劃(動作意圖)到執行的全部過程(圖1)。實驗設計中的兩個動作規則(順向或反向觸摸)幫助我們分離出視覺線索和動作意圖，而兩種視覺情形(正常或左右顛倒)則進一步幫助科研人員把動作意圖的內容區分為物理執行和視覺預期。動物的眼動和手動情況分別被眼動追蹤儀和三維運動捕捉系統實時監控，通過果汁或飲水獎勵的辦法鼓勵其主動配合并保持數小時連續工作狀態。與此同時，科研人員采集動物后頂葉的手動腦區MIP的神經元鋒電位spiking信號和局部場電位LFP信號。通過統計分析的方法尋找神經電活動spiking和LFP信號分別與動作過程中的視覺線索、物理執行和視覺預期等參數之間的相關性，并將它們與前期 fMRI研究結果對比，得到如下結論：(1)證實MIP神經電活動表征動作意圖而非簡單的視覺線索，因此可作為腦機接口技術的可靠信息源；(2)MIP神經元鋒電位spiking信號可同時編碼動作意圖的物理執行過程和視覺預期效果,且對前者的表征占主導(圖2)；(3)MIP局部場電位LFP信號僅攜帶動作意圖的視覺預期效果，并不編碼動作的實際執行過程，這種單一的編碼內容與fMRI信號中的表征在一定的時間和頻率窗口上是一致的(圖3)；(d)鑒于 LFP(或fMRI)信號與神經元spiking信號對動作意圖編碼的高度不一致，這提示研究者在跨模態研究中(特別是腦機接口臨床應用方面)，需要謹慎對待和區別解讀不同類型的腦信號。

　　該研究成果受心理所青年啟動基金（No.Y3CX112005）資助，研究結果已在線發表于Cerebral Cortex（Kuang S, Morel P, Gail A (2015) Planning movements in visual and physical space in monkey posterior parietal cortex. Cerebral Cortex. doi: 10.1093/cercor/bhu312）。

圖1： 實驗任務與設計。訓練獼猴執行觸摸位于觸摸屏上的視覺目標，動作完成需要發生在兩種視覺情形（正常或左右顛倒棱鏡，圖A）和兩個觸摸規則（順向或反向，圖 B）。對比兩觸摸規則可把視覺線索和動作意圖分開，對比兩視覺情形則可以進一步把動作意圖的內容細分為物理執行和視覺預期。

圖2： 神經元鋒電位(spiking)同時編碼著動作意圖的物理執行和視覺預期。A：兩個單細胞鋒電位反應特性，分別表征兩種動作意圖。B：統計上，兩種動作意圖表征同時顯著存在,且物理執行表征多于視覺預期表征。

圖3： 局部場電位(LFP)在有限的時間窗口和頻率范圍內編碼動作意圖，其內容僅包含視覺預期表征，并不具有對物理執行的表征。這些LFP結果與已知fMRI編碼內容相近，但同時，兩者均與神經元spiking編碼內容相差甚遠，提示我們應該謹慎對待和解讀不同腦信號的神經基礎。圖中橫軸代表運動發生的時間軸（與視覺線索出現對齊），縱軸代表頻率空間，顏色代表LFP空間選擇性（即LFP 能量幅值在左右運動方向上的差值）。