科技日報記者 張佳欣
大腦擁有強(qiáng)大的能力執(zhí)行和學(xué)習(xí)多樣的運動，這有賴于腦內(nèi)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生多樣的神經(jīng)活動模式。美國斯坦福大學(xué)的Shenoy團(tuán)隊近期在《自然》雜志發(fā)表論文，展示了大腦運動皮層的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)如何利用高維神經(jīng)狀態(tài)空間中的多種活動模式來實現(xiàn)對新習(xí)得的運動的記憶索引。
截圖來源：《自然》網(wǎng)站相關(guān)論文
在這項研究中，研究人員探索了大腦運動皮層的神經(jīng)準(zhǔn)備活動伴隨運動學(xué)習(xí)所產(chǎn)生的系統(tǒng)性的變化。他們訓(xùn)練獼猴學(xué)習(xí)在力場中伸展手臂的任務(wù)，這個力場會產(chǎn)生與獼猴手臂運動方向垂直并與運動速率成正比的作用力。為適應(yīng)和抵抗這個力場，獼猴需要學(xué)會使用手臂肌肉產(chǎn)生日常活動中未使用過的新的作用力。
研究團(tuán)隊用電極記錄了獼猴運動皮層的情況，并用神經(jīng)數(shù)據(jù)降維的數(shù)學(xué)方法分析了神經(jīng)準(zhǔn)備活動在不同神經(jīng)狀態(tài)空間中的活動模式。
他們發(fā)現(xiàn)在一個可預(yù)測手臂力量的神經(jīng)狀態(tài)子空間中，神經(jīng)準(zhǔn)備活動的變化直接反映了運動學(xué)習(xí)引起的行為變化，并且學(xué)習(xí)前存在的神經(jīng)活動模式在學(xué)習(xí)后被重新使用。而在一個與此子空間正交的維度，神經(jīng)準(zhǔn)備活動產(chǎn)生了學(xué)習(xí)前未使用過的新的活動模式。
令研究人員意想不到的是，這些新的神經(jīng)活動模式并不直接反映行為上的變化，但是當(dāng)獼猴學(xué)習(xí)多個不同的力場時，每個力場會引發(fā)與該力場相應(yīng)的獨特的新神經(jīng)活動模式。此外，這些新的神經(jīng)活動模式似乎會形成運動記憶，存儲在神經(jīng)準(zhǔn)備活動中。
綜合這些發(fā)現(xiàn)，研究人員推測，在這些神經(jīng)準(zhǔn)備活動的正交維度上，學(xué)習(xí)特定力場所產(chǎn)生的新神經(jīng)活動模式有可能參與運動記憶索引，這也許有助于大腦學(xué)習(xí)和保存新的運動技能，同時不忘記舊的運動技能。
這項研究主要由美國斯坦福大學(xué)Shenoy實驗室博士研究生孫旭璐等合作完成。
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