追问新知｜Cerebral Cortex：神经元们如何协作做出手势动作？

穿越十字路口时，行人会秉承“红灯停，绿灯行”的原则，根据交通信号灯的颜色，决定接下来的行为。在日常生活中，对视觉线索做出反应是人们最基础最重要的活动。这个过程听起来简单，但其中涉及的神经元时空动态变化却非常复杂。

在时空尺度上揭示这个过程中大脑动态变化的机制对于人类神经科学的研究以及潜在的应用都有极其重要的作用。

近日，天桥脑科学研究院（Tianqiao and Chrissy Chen Institute，TCCI）应用神经技术前沿实验室主任Gerwin Schalk教授与国内多所高校的研究团队联合在Cerebral Cortex发表题为“Spatio-temporal evolution of human neural activity during visually cued hand movements”的研究。他们利用深部电极或颅下电极记录了36名受试者面对相同任务时颅下脑电活动，并对高频脑电活动进行了分析。其结果表明人类神经元的激活广泛分布在整个大脑，集中于顶、额叶以及枕叶的特定区域，其中顶叶激活出现了明显的左侧化。并且，各个脑区的神经元激活呈现明显的时间差异。

▷图注：文章截图。图源：Cerebral Cortex官网

iEEG脱颖而出

在常用的神经成像技术中，功能磁共振成像技术（fMRI）具有很好的空间分辨率，能够在大脑尺度上辨别功能活跃网络，但该技术是基于血氧水平的变化，无法反映不同脑区快速变化的神经活动，时间分辨率低。脑电图和脑磁图等非侵入性电生理方法则相反，它们能在毫秒级别研究大脑神经活动的变化，空间分辨率却受限。

而颅内脑电图（iEEG）使用硬膜下电极（ECoG）或深部电极（SEEG）进行记录，能够记录相当广泛的脑区的神经活动，其具有毫米级的空间分辨率、毫秒级的时间分辨率，目前被用于肿瘤病人或难治性癫痫病人的神经活动的术前检测。iEEG记录还具有捕获宽带γ波信号(频率>60 Hz的信号)的能力，该信号是局部神经元活动的可靠指标。

基于这些特性，利用iEEG信号可以绘制记录位点间潜在的任务相关神经元的时空演化图谱。但这种记录方法也并非没有缺点——其局限性是存在稀疏采样。不过，通过对多个受试者进行记录，获得更多的数据点，并针对他们在相同任务中的数据进行组合分析，就可以增加对脑动态的把握、减轻这种限制，从而得出关于人类大脑在常见行为中的大规模时空动态特征的信息。

基于视觉线索的运动任务

研究者采集了36位右利手难治性癫痫患者（女14例，男22例，年龄26.0±6.2岁）的iEEG数据。这些患者均接受过用于评估癫痫病灶的电极植入，其中34位患者植入的是SEEG电极，2位患者植入的是ECoG电极。

iEEG数据采集过程如下：

每次试验过程中，当LCD屏幕出现“rest”指示时，受试者在接下来4秒内不能有任何活动；在视觉线索出现的前1秒，屏幕会显示提醒，意味着即将出现手势图片。屏幕出现视觉线索时，受试者被要求尽可能快地做出和图片相同的动作，直到5秒后图片消失。对于每一位受试者，研究人员收集了100次试验的iEEG数据。

▷图注：基于视觉线索的运动任务。图源：论文补充材料

大脑神经活动的分布特征及时空演化

此次研究表明，相当广泛区域的神经元都参与基于视觉线索下的运动任务。除了最活跃的中央回、顶叶、枕叶、额叶和颞叶，在岛叶、海马旁回和海马等脑深部结构和边缘系统中也观察到神经元的活动。并且，他们还观察到，处理基于视觉线索的运动任务需要跨越皮层和皮层下两个部分募集神经网络。

▷图注：基于视觉线索的运动任务中神经活动的时空分布。图源：论文

除此之外，他们还发现，在基于视觉线索的运动任务中，顶叶的神经元活动存在显著的左侧化倾向。其他研究者在工具-行为观察、听觉和视觉刺激处理、手部形状编码的视觉和运动想象等认知过程中，也观察到类似的现象。同时，有研究表明这种左侧化倾向的神经元激活与利手性无关。

这些观察结果表明，存在一个涉及该区域的动作观察/执行网络，而且该网络可能介导了人类对观察到的动作的目标的识别。

紧接着，他们分析了该任务中神经活动的时空演化，发现神经活动首先出现在枕叶外侧部分，顶叶的上部和后部，以及颞叶的后部和下部，随后向前额叶扩散，最终在中央回结束。

先前的研究也得到了与此一致的结果，但本次研究将结果扩展到了更广泛的整个大脑区域，因此可以相对完整地概述任务期间神经活动的“足迹”。

特定脑区的功能

研究者根据神经活动开始时间与刺激开始时间/反应启动时间之间的联系，分析了各脑区神经活动所代表的意义：“感觉”或“运动”。

在完成基于视觉线索的运动任务过程中，早期激活的神经元与视觉刺激传递更相关，而晚期激活的神经元则与运动反应更相关。

▷图注：大脑不同区域激活与基于视觉线索的任务之间的评估结果。图源：论文

通过神经元激活发生的时间和比例，研究人员发现，最早激活的侧枕叶皮层在视觉信息处理中至关重要作用。然后，顶叶和颞叶也有较高比例的激活，表明它们在视觉信息处理中发挥重要作用。随着神经活动过程蔓延到额叶和中央回，这种视觉表征逐渐减弱。此外，顶叶和额叶在早期阶段明显参与了与运动反应启动相关的神经活动。这些发现表明，在将感觉信息转化为运动相关信息时，顶叶和额叶发挥重要作用：其中顶叶参与了转化过程的早期阶段，而额叶更倾向于参与运动执行阶段。

而在“运动”过程的最后阶段，中央回呈现出最高比例的与反应锁定的神经活动，表明它们在运动执行和体感处理中发挥作用。不仅如此，中央前区中还检测到少数与早期刺激锁定的神经活动。这些发现使人们对这一运动区域的功能有了更全面的理解：中央前回是线索-行动网络的组成部分，以便对环境刺激做出即时反应。总之，在运动执行的最后阶段，中央前回接受高度加工的感觉输入和其他内部信号而产生运动信号，而运动执行后，中央后回中产生体感反馈。

总结

该研究展示了在基于视觉线索的运动任务期间，人脑整体大规模时空神经活动演化，并评估了不同脑区可能的功能。值得注意的是，研究仅集中于神经记录的高频成分，而未涉及一些与运动相关的低频活动。

但是，此次发现不仅加深了人们对基于视觉任务下神经活动的理解，还为与运动相关的脑机接口研究提供一定借鉴作用：解码运动参数除了需要关注传统的感觉运动区域外，还需关注额叶和顶叶等脑区。

关于TCCI

天桥脑科学研究院（Tianqiao and Chrissy Chen Institute，TCCI）是由陈天桥、雒芊芊夫妇私人出资10亿美元创建的，旨在聚焦AI＋脑科学，支持、推进全球范围内脑科学研究，造福全人类，目前已经成为知名的支持人类脑科学研究的科研机构。

TCCI一期投入5亿元人民币支持中国的脑科学研究，与上海周良辅医学发展基金会合作成立上海陈天桥脑健康研究所（又名TCCI转化中心），致力于提升脑健康和脑疾病治疗研究和成果转化。后又与华山医院、上海市精神卫生中心等建立战略合作，设立了应用神经技术前沿实验室、人工智能与精神健康前沿实验室。在国际上，TCCI与加州理工学院合作成立TCCI加州理工研究院，设脑机接口、社交与决策神经科学、系统神经科学、分子与细胞神经科学、大脑成像、神经科学教育等多个中心，重点关注大脑基础研究。TCCI还在北美、亚洲、欧洲、大洋洲主办、资助了200多场高质量的学术会议。