4月8日，eLife在線發(fā)表了題為《獼猴后扣帶回區(qū)前庭信號編碼自身運動感知》的研究論文，該研究由中國科學院腦科學與智能技術卓越創(chuàng)新中心（神經科學研究所）、上海腦科學與類腦研究中心、中科院靈長類神經生物學重點實驗室空間感知研究組發(fā)表。研究利用虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，結合清醒獼猴胞外電生理技術探究了位于獼猴大腦后扣帶回區(qū)域的神經元對基于自身運動感知的自身信息的編碼，發(fā)現(xiàn)該區(qū)域中的后扣帶回皮層亞區(qū)攜帶有明確時空調諧性質的前庭信號，并通過三維時空動態(tài)模型對自身運動中的不同時間成分進行有效分離，對該區(qū)域所攜帶前庭信息的時間和空間調制進行了動態(tài)分析。

在生物體進行空間探索活動時，常見的策略是基于路標導航（Landmark-based navigation）和基于向量導航（Vector-based navigation）兩種方式。其中，在缺乏有效的外界路標或路標過于模糊時，生物體主要依賴后者（又稱路徑積分，path integration）對空間進行導航，此時，基于自身運動的前庭信息和基于光流（Optic flow）的視覺信息均在其中扮演重要角色。海馬區(qū)域作為動物大腦中的導航系統(tǒng)，在路徑積分這種空間導航方式中發(fā)揮關鍵作用。然而，目前尚未了解海馬如何利用外界的自身運動信息對路徑積分進行編碼的。在之前的研究中，科研人員曾在獼猴大腦新皮層的多個感覺腦區(qū)（主要位于顳葉和頂葉）發(fā)現(xiàn)了對前庭信息和光流視覺信息的編碼，但是這些區(qū)域與海馬系統(tǒng)并無直接的結構性聯(lián)系。

此前的研究表明，位于胼胝體上方的后扣帶回區(qū)域在結構連接上正處于編碼了自身運動相關信息的感覺皮層和海馬系統(tǒng)的中間地帶，因此，為尋找自身運動信息向海馬路徑積分導航系統(tǒng)傳遞過程中起到橋梁作用的腦區(qū)，顧勇組研究人員通過一個成熟的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，利用六自由度運動平臺，在三維空間中給出幾乎均勻分布的26個不同方向的運動刺激和利用光流模擬的視覺運動刺激，探索了在結構上處于中間地位的后扣帶回區(qū)域神經元對自身運動信息的編碼。生物體的前庭系統(tǒng)由耳石器和半規(guī)管兩部分組成，其中前者主要編碼線性加速度（平移信號），后者編碼旋轉運動。為探究神經元對二者編碼的異同，運動刺激分別在平移和旋轉兩種條件下給出。研究人員通過胞外電生理記錄的手段，在獼猴的兩個不同亞區(qū)——后扣帶回皮層和壓后皮層分別進行記錄，發(fā)現(xiàn)后扣帶回皮層對自身運動感知中的前庭信號有較強的編碼，且具有復雜的時空調諧性質。相較于后扣帶回皮層，處于大腦更深部的壓后皮層雖然也編碼了前庭信號，然而其編碼特性中卻不包含明確的時空調諧性質。

為對該時空調諧性質進行定量分析，研究人員通過一個三維時空動力學模型對運動刺激的時間和空間成分進行分解，發(fā)現(xiàn)該腦區(qū)的神經元群體編碼了加速度、速度、變加速度和位置等多種時間成分，表明由前庭外周器官的加速度信號在傳遞到該腦區(qū)的過程中經過了不同程度的積分和微分計算，以便用于不同的功能。另外，該腦區(qū)在平移運動的前庭刺激中攜帶了更多的加速度成分，而對旋轉刺激中的前庭信息編碼則更偏向于速度信號，結合神經元群體偏好方向的分布，預示該腦區(qū)的旋轉信號可能作用于海馬系統(tǒng)的頭向細胞（Head direction cell）。另外，雖然該區(qū)域的兩個亞區(qū)都編碼了較強的前庭信號，但其中視覺信息編碼較弱，意味著該區(qū)域似乎并不對兩種自身運動信息進行同時編碼。該工作在前庭信息在大腦網絡中的編碼研究中意義重大，并為進一步探究前庭信息從上游的感覺皮層到下游的海馬導航系統(tǒng)的信息傳遞提供了良好基礎。

該研究在腦智卓越中心研究員顧勇的指導下，由博士生劉炳煜完成，博士生田青陽參與了實驗工作。研究工作得到國家自然科學基金委員會、中科院、上海市科學技術委員會的資助。

　?。ˋ）實驗裝置示意圖：虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)和六自由度運動平臺。運動平臺給出真實的自身運動信息（前庭信號），視覺信息由屏幕上的光流刺激進行模擬。（B）運動方向：26個在三維空間中均勻分布的平移運動方向和對應的26個旋轉刺激。（C）三維時空動態(tài)模型示意圖。（D）一個真實神經元對平移運動的前庭反應（灰色陰影部分）和對該數(shù)據進行模型擬合的結果（黑色實線）。（E）該神經元通過模型擬合后得到的每種時間成分對應的空間調諧性質和權重。

來源： 腦科學與智能技術卓越創(chuàng)新中心