大腦運(yùn)動(dòng)規(guī)劃研究如何助力神經(jīng)假肢的發(fā)展

德國(guó)靈長(zhǎng)類動(dòng)物中心 (DPZ) - 位于哥廷根的萊布尼茨靈長(zhǎng)類動(dòng)物研究所的研究人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)大腦借助腦機(jī)接口學(xué)習(xí)在虛擬環(huán)境中執(zhí)行動(dòng)作時(shí)，大腦會(huì)在多個(gè)腦區(qū)進(jìn)行廣泛的重組。科學(xué)家們由此能夠揭示大腦在控制運(yùn)動(dòng)假肢時(shí)是如何進(jìn)行調(diào)整的。這些發(fā)現(xiàn)不僅有助于推進(jìn)腦機(jī)接口的發(fā)展，還能加深我們對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)背后的基本神經(jīng)過(guò)程的理解（PLOS Biology）。

為了完成精確的動(dòng)作，我們大腦的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)必須不斷地自我校準(zhǔn)。如果我們想投籃，用熟悉的籃球投籃效果很好，但需要用更輕或更重的球進(jìn)行額外的練習(xí)。我們的大腦將與預(yù)期（投擲）結(jié)果的偏差作為誤差信號(hào)，從而學(xué)習(xí)下一次投擲的更佳指令。當(dāng)大腦想要通過(guò)腦機(jī)接口 (BCI)（例如神經(jīng)假體）控制運(yùn)動(dòng)時(shí)，也必須執(zhí)行這項(xiàng)任務(wù)。迄今為止，尚不清楚大腦的哪些區(qū)域反映運(yùn)動(dòng)的預(yù)期結(jié)果（球的軌跡），哪些區(qū)域反映誤差信號(hào)，哪些區(qū)域反映旨在補(bǔ)償先前誤差的修正運(yùn)動(dòng)指令。

為了解答這些問(wèn)題，研究人員研究了恒河猴大腦中負(fù)責(zé)控制手臂和抓握動(dòng)作的區(qū)域的運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)。額葉區(qū)域負(fù)責(zé)通過(guò)向肌肉發(fā)送相應(yīng)信號(hào)來(lái)規(guī)劃和執(zhí)行動(dòng)作。頂葉腦區(qū)在整合感覺(jué)信號(hào)（尤其是視覺(jué)信號(hào)）方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用，從而有助于確定運(yùn)動(dòng)目標(biāo)在空間中的位置等。

3D虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）任務(wù)的實(shí)驗(yàn)設(shè)置和解碼方案

研究人員利用腦機(jī)接口訓(xùn)練恒河猴僅通過(guò)思維在三維虛擬環(huán)境中移動(dòng)電腦光標(biāo)。研究人員測(cè)量了相應(yīng)腦區(qū)神經(jīng)細(xì)胞群的活動(dòng)。借助機(jī)器學(xué)習(xí)算法，腦機(jī)接口 (BCI) 持續(xù)解讀動(dòng)物的大腦活動(dòng)模式，并將其轉(zhuǎn)化為運(yùn)動(dòng)。通過(guò)這種方式，研究人員能夠修改 BCI 算法，使翻譯在不損害動(dòng)物自然運(yùn)動(dòng)能力的情況下，系統(tǒng)性地避免錯(cuò)誤。動(dòng)物在屏幕上看到的動(dòng)作與它們之前“想到”的動(dòng)作并不一致。因此，猴子必須反復(fù)調(diào)整大腦活動(dòng)，以彌補(bǔ)這些實(shí)驗(yàn)引發(fā)的錯(cuò)誤。這使得研究人員能夠詳細(xì)研究大腦的學(xué)習(xí)過(guò)程。

實(shí)驗(yàn)范式和 BCI 適應(yīng)

結(jié)果表明，與先前的研究結(jié)果一致，大腦無(wú)需重構(gòu)其網(wǎng)絡(luò)連接即可完成這項(xiàng)任務(wù)。大腦會(huì)依賴現(xiàn)有的解決方案，即大腦通常已知的運(yùn)動(dòng)，就像人們只是瞄準(zhǔn)不同的方向來(lái)糾正新球的飛行特性一樣。在其他學(xué)習(xí)情況下，大腦必須學(xué)習(xí)全新的運(yùn)動(dòng)序列，并為此改變或重新連接神經(jīng)連接，但在本例中，這已被證明是不必要的。這對(duì)于神經(jīng)假體來(lái)說(shuō)是理想的，因?yàn)樗箤W(xué)習(xí)使用它們變得更容易。

令人驚訝的是，根據(jù)新的發(fā)現(xiàn)，大腦的不同區(qū)域會(huì)共同反映校正后的運(yùn)動(dòng)指令，而不是像之前假設(shè)的那樣，大腦皮層的一部分反映運(yùn)動(dòng)指令給肌肉，另一部分反映該運(yùn)動(dòng)指令的預(yù)期感覺(jué)結(jié)果。后者描述了人們對(duì)自身運(yùn)動(dòng)在感官上（視覺(jué)和感覺(jué)）的體驗(yàn)的預(yù)期。在日常生活中，這兩個(gè)運(yùn)動(dòng)控制組成部分通常具有非常相似的特征，因此很難區(qū)分負(fù)責(zé)它們的大腦區(qū)域。特殊的實(shí)驗(yàn)裝置允許將這些組成部分分離并獨(dú)立檢查。因此，之前假設(shè)的頂葉和額葉腦區(qū)功能劃分被發(fā)現(xiàn)是不準(zhǔn)確的。

記憶周期譯碼器

“研究表明，大腦頂葉反映的不是運(yùn)動(dòng)的預(yù)期感覺(jué)結(jié)果，而是校正后的運(yùn)動(dòng)指令，大腦額葉區(qū)域也是如此，”該研究的首席研究員Enrico Ferrea說(shuō)道。這令人驚訝，因?yàn)榇竽X頂葉以整合來(lái)自不同感覺(jué)器官的感覺(jué)信息而聞名。這意味著大腦皮層能夠廣泛而一致地進(jìn)行調(diào)整，以根據(jù)不斷變化的環(huán)境重新調(diào)整我們的運(yùn)動(dòng)計(jì)劃。

“這項(xiàng)研究是我們理解運(yùn)動(dòng)規(guī)劃和控制過(guò)程中學(xué)習(xí)過(guò)程的重要一步，”DPZ 感覺(jué)運(yùn)動(dòng)研究組負(fù)責(zé)人亞歷山大·蓋爾 (Alexander Gail) 表示。“通過(guò)了解大腦如何重新校準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)，我們可以開(kāi)發(fā)更有效的假肢，幫助癱瘓或其他運(yùn)動(dòng)障礙患者恢復(fù)運(yùn)動(dòng)功能。”

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