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科学家们提出了手臂运动背后大脑活动的新理论

2019-05-06 20:37:46 医学研究136℃

  科学家们提出了手臂运动背后大脑活动的新理论

  2012年6月4日

  发现运动皮层是一种动态模式发生器,它使现有理论对神经科学具有广泛的意义

  与他们的视觉表兄弟不同,控制运动的神经元不是可预测的束。当试图建立神经元行为与肌肉活动或运动速度等外部因素之间的一对一关系时,科学家们正在努力解释这些神经元如何将信息传递给肌肉。

  在自然杂志6月3日在线发表的一篇文章中,斯坦福大学的一个电气工程师和神经科学家团队提出了一项关于手臂运动背后大脑活动的新理论。他们的理论与现有的理解有很大的不同,并且有助于用相对简单和优雅的术语解释运动皮层中神经元活动的一些更令人困惑的方面。

  在他们的论文中,电气工程副教授Krishna Shenoy和博士后研究员Mark Churchland(现为哥伦比亚大学教授)和剑桥大学的John Cunningham(现为圣路易斯华盛顿大学教授)表明大脑活动控制着手臂运动不对外部空间信息进行编码 - 例如方向,距离和速度 - 但在本质上是节奏性的。

  了解大脑

  神经科学家早就知道负责视觉的神经元会编码特定的外部世界信息 - 视觉参数。理论上并广泛地提出,运动皮层神经元的功能相似,传达运动的细节,如方向,距离和速度,就像视觉皮层记录颜色,强度和形式一样。

  “视觉神经元编码世界上的东西。它们是地图,表示,“丘吉尔说,他是该论文的第一作者。 “想象运动皮层中的神经元应该像视觉皮层中的神经元一样,以忠实的方式与外部参数相关联,这不是一个飞跃,但事情并不是那么具体的运动。”

  科学家们不同意哪些运动参数由个体神经元代表。他们无法看到运动皮层中特定的神经元发射,并确信它编码的信息是什么。

  “许多实验都寻求这种合法性,但却没有人找到它。我们的研究结果表明另一种原则正在发挥作用,“共同第一作者坎宁安说。

  “我们的主要发现是运动皮层是一种灵活的模式发生器,并向脊髓发送有节奏的信号”。丘奇兰说。

  运动引擎

  采用汽车类比,汽车皮质不是代表真实世界信息的方向盘,里程表或速度计。它更像是一个引擎,由活动看起来很复杂的部分组成,但它们以合法的方式合作以产生运动。

  “如果你自己看到一个活塞或一个火花塞,你能解释它是如何使汽车移动的吗?”坎宁安讽刺地问道。 “运动皮质神经元也是这样,只有在整体的背景下才能理解。”

  在监测运动皮质神经元的电脑活动时,研究人员发现它们通常表现出短暂的振荡反应。这些反应并非独立于神经元到神经元。相反,整个神经群体以美丽和合法协调的方式振荡。

  因此,驱动给定运动的电信号是在给定时刻发射的所有运动神经元的节律的混合 - 总和。

  “在这种看待事物的新方式下,不可思议的变得可预测,”丘奇兰说。 “每个神经元的行为都像一个乐队中的玩家。当所有运动员的节奏在整个乐队中相加时,会产生一连串的流畅和准确的运动。“

  相关故事婴儿大脑的新地图可能有助于早期诊断孤独症新近开发的干细胞技术显示治疗PD患者的前景研究提出了针对致命性脑癌的新治疗策略。美国国立卫生研究院国家神经疾病和中风研究所系统与认知神经科学项目主任Daofen Chen表示,Shenoy和团队正在该领域的最前沿工作。 “在试图找到运动皮层的基本反应特性时,Shenoy博士和他的同事正在寻找神经科学的圣杯,”陈博士说。 “他的团队一直在处理重要但棘手的问题,通常以发人深思的方式和雄心勃勃的提案。美国国立卫生研究院很自豪能够支持这种开创性和变革性的研究。“

  自然界的先例

  在新模型中,一些相对简单的节奏解释了早期混淆科学的神经特征。

  “鉴于这种模式,运动皮层神经元中许多最令人困惑的方面看起来很自然而且直截了当”。 Cunnigham说。

  该团队研究了非节奏性的到达运动,这使节奏性神经活动的存在成为一个惊喜,尽管,团队指出,节奏性神经活动在性质上有很长的优先权。例如,这种节奏存在于水蛭的游泳运动和行走的猴子的步态中。

  “大脑有一个进化的目标,可以驱动帮助我们生存的运动。初级运动皮层是这些功能的关键。它显示的活动模式可能源于进化上较老的节奏运动,如游泳和步行。节奏是运动的基本组成部分,“解释了丘吉兰。

  伸手去拿圣杯

  为了验证他们的假设,工程师们研究了达到接触目标的猴子的大脑活动。根据研究人员的研究,实验表明这种“潜在的节奏”策略可以很好地解释大脑和肌肉的活动。在他们的研究中,肩 - 肌肉行为的模式总是可以通过两个潜在节律的总和来描述。

  “说你”扔了一个球。在它下面都是一个模式。也许你的肩膀肌肉收缩,轻微放松,再次收缩,然后完全放松,所有在短时间内,“Churchland解释说。”那活动可能不会确切地说是有节奏的,但它可以通过将两个或三个其他节奏加在一起来创建。

   我们的数据认为这可能是大脑如何解决创造运动模式的问题。

  “找到这些大脑节奏让我们感到惊讶,因为这些大脑本身没有节奏感。事实上,它们确实是心律失常的,但它们的基础却是这些明显无误的模式,“丘奇兰说。

  “这项研究建立在强大的理论框架之上,并增加了越来越多的证据表明节奏活动对许多基本的大脑功能很重要,”美国国立卫生研究院国家神经疾病和中风研究所的刘柳说。 “在这方面的进一步研究可能有助于我们设计出更有效的控制假肢的技术。” Liu是NIH-NSF计算神经科学计划协作研究的联合负责人。

  “在这个模型中,现在可以用更直接的术语至少部分地理解看似复杂的运动皮层系统。运动皮层是遵循合法动力学的运动引擎,“申诺说。

  资料来源:斯坦福工程学院

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