顾勇研究组Cell Rep解析自身运动感知神经元

　　

4月21日，中国科学院上海生命科学研究院神经科学研究所顾勇研究组在《Cell Reports》在线发表了题为《猕猴皮层神经元编码曲线自身运动感知》的科研论文。该研究结合虚拟现实技术和清醒猕猴电生理记录，发现位于猕猴顶叶的多个脑区的神经元可以解析自身运动中的平移和旋转组分。值得注意的是，有一群神经元既对对运动过程中的平移组分有响应，也对旋转组分有响应。这群神经元可通过加权平均方式整合平移和旋转信息，有可能编码曲线自身运动。

当我们乘坐观光车在外滩隧道中蜿蜒行进时，我们内耳的前庭系统也在忙着分析我们的运动状态。根据经典力学，任何刚体的运动都可被分解为平移和旋转。在漫长的演化过程中，前庭系统也响应出两套前庭感受器官：耳石器和半规管。其中耳石器负责检测平移信息，半规管负责检测旋转信息。尽管在外周感受器层面，平移和旋转是被独立编码的；目前已有研究表明在猕猴的背侧内上颞区（MSTd）、腹侧内顶区（VIP）和外侧裂后部视觉区（VPS）等脑区有1/3～2/3的神经元可以同时接受来自耳石器和半规管的输入。然而平移和旋转在皮层汇聚的属性和功能依然是一个谜团。早些年，有关平移和旋转汇聚的工作大都集中在平移与绕水平轴的旋转的汇聚，试图解决神经系统如何区分平移加速度和身体/头部的倾斜。而对于更可能参与日常导航的平移与绕竖直轴的旋转，却少有工作涉及。

为了探索汇聚到皮层的平移和旋转信号的整合法则和潜在功能，顾勇组发挥课题组特色，使用一个六自由度的运动平台，给出三种前庭刺激条件：（1）仅平移；（2）仅旋转；（3）平移+旋转。通常，平移+旋转可以模拟动物沿曲线运动时的体验。前人的研究表明，MSTd、VIP和VPS等脑区的前庭信号可能参与自身运动感知，程志仙和顾勇选定这几个脑区作为研究目标，并在两只猕猴的三个半球记录到308个单神经元的胞外动作电位信号。他们发现皮层细胞对运动状态的编码呈现连续式分布，可从仅对平移有响应过度到仅对旋转有响应。其中约五分之一的神经元（即汇聚神经元）可以被平移和旋转显著调制，这些细胞的反应特性不同于仅受单一运动组分调制的神经元不同：汇聚神经元在平移+旋转时的反应强度要高于其在单一组分时的反应强度。有趣的是，汇聚细胞的反应模式与人类被试在类似刺激条件下主观报告的模式是一样的。进一步的分析表明，区与区之间的反应性质非常类似，这些结果表明有关自身运动的信息编码在灵长类的感觉皮层可能是广泛分布的。

该研究在顾勇研究员的指导下，由博士生程志仙完成。该课题获得了国家自然科学基金面上项目（31471048）、中国科学院脑先导专项（Y51HN11421）和青年****的支持。

图注：一个典型的VPS细胞偏好曲线运动。左边的图是该细胞在不同直线运动，旋转运动和它们之间的组合时的平均发放频率。所有运动局限在水平平面上。右边的图是仅包含了向前，向后的直线运动，旋转运动和曲线运动，用极坐标表示。

原文摘要：

Distributed Representation of Curvilinear Self-Motion in the Macaque Parietal Cortex

Information about translations and rotations of the body is critical for complex self-motion perception during spatial navigation. However, little is known about the nature and function of their convergence in the cortex. We measured neural activity in multiple areas in the macaque parietal cortex in response to three different types of body motion applied through a motion platform: translation, rotation, and combined stimuli, i.e., curvilinear motion. We found a continuous representation of motion types in each area. In contrast to single-modality cells preferring either translation-only or rotation-only stimuli, convergent cells tend to be optimally tuned to curvilinear motion. A weighted summation model captured the data well, suggesting that translation and rotation signals are integrated subadditively in the cortex. Interestingly, variation in the activity of convergent cells parallels behavioral outputs reported in human psychophysical experiments. We conclude that representation of curvilinear self-motion perception is widely distributed in the primate sensory cortex.