神经科学颠覆性发现，运动皮质作为运动模式发生器

Nature：发现生成肢体运动的神经节律

斯坦福大学的神经学科学家和电子工程师合作提出了手臂运动的大脑活动新理论，发表在6月3日的Nature杂志上。文章认为，大脑运动皮层神经元并非编码方向、距离和速度等外界信息，而是采用了一种节律性模式控制手臂运动。

　　

生物通报道：与视觉神经元不同，控制运动的神经元是难以预测的。研究运动神经元如何将信息传递到肌肉的科学家们，在建立神经元活动与肌肉活动外在表现的一对一联系时陷入了困境。

斯坦福大学的神经学科学家和电子工程师合作提出了手臂运动的大脑活动新理论，发表在6月3日的Nature杂志上。该理论与此前的理论大不相同，以一种相对简单的方式解释了运动皮层神经元活动的复杂特性。

文章认为，大脑控制手臂运动并非通过编码方向、距离和速度等外界信息，而是采用了一种节律性模式。

了解大脑活动

长期以来，神经学科学家就知道视觉神经元编码特定的外界信息，即景象的参数。由此人们建立了视觉神经元的活动理论，并认为运动皮层神经元也以类似的方式实现其功能。该理论认为运动皮层神经元传递方向、距离和速度等特定运动信息的方式与视觉皮层记录颜色、密度和形态的方式相同。

也有科学家并不认同上述理论，认为运动参数并不是由单独的神经元表现。因为人们不能在运动皮层中找到特定的活动神经元，并确定其编码的信息。此前有许多寻找运动神经元活动规律的实验，但都未能有所发现。

斯坦福大学的这项研究提出了一项新理论，认为运动皮层是一种灵活的运动模式发生器，并沿着脊髓传递节律性的信号。

运动引擎

如果我们做一个汽车的类比，那么运动皮层并不是方向盘、里程表或者车速表。它更像一个引擎，其部件活动单独来看复杂难懂，但作为一个整体就能够生成动力。研究人员认为运动皮层神经元就像这样，只能从整体上进行理解。

通过监视运动皮层神经元的脑电活动，研究人员发现它们显示出一种短震荡反应模式。这种反应并不是从一个单独的神经元传到另一个神经元，而是由整个神经元群体作为整体，协同进行规律性震荡。因此引发一个指定运动的电信号，实际上是所有运动神经元在指定时刻同时活动形成的节律总和。

研究人员发现用这种新方式来研究神经元活动与运动的联系，以往那些复杂难辨的现象变得可以预测了。

自然界中的节律

这种新模型用相对简单的节律解释了此前困扰神经学科学家的许多问题。运动皮质神经元许多最令人困惑的方面在这种模型下看起来自然而直观。

该研究团队是在非节律性伸展运动中发现这种节律性神经活动的，这令他们感到惊讶。而这种节律性神经活动在自然界早已存在，例如水蛭的游泳动作和猴子的行走步态。大脑的进化目标是生成能帮助生物存活的运动。而初级运动皮层是这一功能的关键。研究中显示的这种模式很可能是从游泳和行走等早期节律运动进化而来的。研究人员认为节律性是运动基石。

为了验证他们的理论，工程师研究了猴子伸臂触摸目标的大脑活动。实验显示这种“潜在节律”能很好的解释大脑和肌肉活动。在他们的实验中，肩——肌肉行为模式能表述为两种潜在节律的总和。研究人员称这就像扔球动作，肩部肌肉收缩、稍稍放松、再次收缩然后完全放松。这一运动可能并不完全是节律性的，但该运动模式可通过两种或三种节律结合形成。研究数据显示，这可能就是大脑形成运动模式的方式。

该研究建立了一个有力的理论框架，并且越来越多的证据显示节律性活动对多种大脑基础功能都很重要。这一领域的深入研究能帮助科学家应用更有效的技术控制假肢。

（生物通编辑：叶予）

生物通推荐原文摘要：

Neural population dynamics during reaching

Most theories of motor cortex have assumed that neural activity represents movement parameters. This view derives from what is known about primary visual cortex, where neural activity represents patterns of light. Yet it is unclear how well the analogy between motor and visual cortex holds. Single-neuron responses in motor cortex are complex, and there is marked disagreement regarding which movement parameters are represented. A better analogy might be with other motor systems, where a common principle is rhythmic neural activity. Here we find that motor cortex responses during reaching contain a brief but strong oscillatory component, something quite unexpected for a non-periodic behaviour. Oscillation amplitude and phase followed naturally from the preparatory state, suggesting a mechanistic role for preparatory neural activity. These results demonstrate an unexpected yet surprisingly simple structure in the population response. This underlying structure explains many of the confusing features of individual neural responses.