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(hào)編碼自身運(yùn)動(dòng)感知》的研究論文，該研究由中國科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心（神經(jīng)科學(xué)研究所）、上海腦科學(xué)與類腦研究中心、中科院靈長(zhǎng)類神經(jīng)生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室空間感知研究組發(fā)表。研究利用虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，結(jié)合清醒獼猴胞外電生理技術(shù)探究了位于獼猴大腦后扣帶回區(qū)域的神經(jīng)元對(duì)基于自身運(yùn)動(dòng)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(shí)空調(diào)諧性質(zhì)的前庭信號(hào)，并通過三維時(shí)空動(dòng)態(tài)模型對(duì)自身運(yùn)動(dòng)中的不同時(shí)間成分進(jìn)行有效分離，對(duì)該區(qū)域所攜帶前庭信息的時(shí)間和空間調(diào)制進(jìn)行了動(dòng)態(tài)分析。

在生物體進(jìn)行空間探索活動(dòng)時(shí)，常見的策略是基于路標(biāo)導(dǎo)航（Landmark-based navigation）和基于向量導(dǎo)航（Vector-based navigation）兩種方式。其中，在缺乏有效的外界路標(biāo)或路標(biāo)過于模糊時(shí)，生物體主要依賴后者（又稱路徑積分，path integration）對(duì)空間進(jìn)行導(dǎo)航，此時(shí)，基于自身運(yùn)動(dòng)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(dòng)物大腦中的導(dǎo)航系統(tǒng)，在路徑積分這種空間導(dǎo)航方式中發(fā)揮關(guān)鍵作用。然而，目前尚未了解海馬如何利用外界的自身運(yùn)動(dòng)信息對(duì)路徑積分進(jìn)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(gè)感覺腦區(qū)（主要位于顳葉和頂葉）發(fā)現(xiàn)了對(duì)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)連接上正處于編碼了自身運(yùn)動(dòng)相關(guān)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(yùn)動(dòng)信息向海馬路徑積分導(dǎo)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(gè)成熟的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，利用六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，在三維空間中給出幾乎均勻分布的26個(gè)不同方向的運(yùn)動(dòng)刺激和利用光流模擬的視覺運(yùn)動(dòng)刺激，探索了在結(jié)構(gòu)上處于中間地位的后扣帶回區(qū)域神經(jīng)元對(duì)自身運(yùn)動(dòng)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(hào)），后者編碼旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。為探究神經(jīng)元對(duì)二者編碼的異同，運(yùn)動(dòng)刺激分別在平移和旋轉(zhuǎn)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(gè)不同亞區(qū)——后扣帶回皮層和壓后皮層分別進(jìn)行記錄，發(fā)現(xiàn)后扣帶回皮層對(duì)自身運(yùn)動(dòng)感知中的前庭信號(hào)有較強(qiáng)的編碼，且具有復(fù)雜的時(shí)空調(diào)諧性質(zhì)。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(hào)，然而其編碼特性中卻不包含明確的時(shí)空調(diào)諧性質(zhì)。

為對(duì)該時(shí)空調(diào)諧性質(zhì)進(jìn)行定量分析，研究人員通過一個(gè)三維時(shí)空動(dòng)力學(xué)模型對(duì)運(yùn)動(dòng)刺激的時(shí)間和空間成分進(jìn)行分解，發(fā)現(xiàn)該腦區(qū)的神經(jīng)元群體編碼了加速度、速度、變加速度和位置等多種時(shí)間成分，表明由前庭外周器官的加速度信號(hào)在傳遞到該腦區(qū)的過程中經(jīng)過了不同程度的積分和微分計(jì)算，以便用于不同的功能。另外，該腦區(qū)在平移運(yùn)動(dòng)的前庭刺激中攜帶了更多的加速度成分，而對(duì)旋轉(zhuǎn)刺激中的前庭信息編碼則更偏向于速度信號(hào)，結(jié)合神經(jīng)元群體偏好方向的分布，預(yù)示該腦區(qū)的旋轉(zhuǎn)信號(hào)可能作用于海馬系統(tǒng)的頭向細(xì)胞（Head direction cell）。另外，雖然該區(qū)域的兩個(gè)亞區(qū)都編碼了較強(qiáng)的前庭信號(hào)，但其中視覺信息編碼較弱，意味著該區(qū)域似乎并不對(duì)兩種自身運(yùn)動(dòng)信息進(jìn)行同時(shí)編碼。該工作在前庭信息在大腦網(wǎng)絡(luò)中的編碼研究中意義重大，并為進(jìn)一步探究前庭信息從上游的感覺皮層到下游的海馬導(dǎo)航系統(tǒng)的信息傳遞提供了良好基礎(chǔ)。

該研究在腦智卓越中心研究員顧勇的指導(dǎo)下，由博士生劉炳煜完成，博士生田青陽參與了實(shí)驗(yàn)工作。研究工作得到國家自然科學(xué)基金委員會(huì)、中科院、上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)的資助。

　?。ˋ）實(shí)驗(yàn)裝置示意圖：虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)和六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)。運(yùn)動(dòng)平臺(tái)給出真實(shí)的自身運(yùn)動(dòng)信息（前庭信號(hào)），視覺信息由屏幕上的光流刺激進(jìn)行模擬。（B）運(yùn)動(dòng)方向：26個(gè)在三維空間中均勻分布的平移運(yùn)動(dòng)方向和對(duì)應(yīng)的26個(gè)旋轉(zhuǎn)刺激。（C）三維時(shí)空動(dòng)態(tài)模型示意圖。（D）一個(gè)真實(shí)神經(jīng)元對(duì)平移運(yùn)動(dòng)的前庭反應(yīng)（灰色陰影部分）和對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行模型擬合的結(jié)果（黑色實(shí)線）。（E）該神經(jīng)元通過模型擬合后得到的每種時(shí)間成分對(duì)應(yīng)的空間調(diào)諧性質(zhì)和權(quán)重。

來源： 腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心