大脑运动规划研究如何助力神经假肢的发展

德国灵长类动物中心 (DPZ) - 位于哥廷根的莱布尼茨灵长类动物研究所的研究人员发现，当大脑借助脑机接口学习在虚拟环境中执行动作时，大脑会在多个脑区进行广泛的重组。科学家们由此能够揭示大脑在控制运动假肢时是如何进行调整的。这些发现不仅有助于推进脑机接口的发展，还能加深我们对运动学习背后的基本神经过程的理解（PLOS Biology）。

为了完成精确的动作，我们大脑的运动系统必须不断地自我校准。如果我们想投篮，用熟悉的篮球投篮效果很好，但需要用更轻或更重的球进行额外的练习。我们的大脑将与预期（投掷）结果的偏差作为误差信号，从而学习下一次投掷的更佳指令。当大脑想要通过脑机接口 (BCI)（例如神经假体）控制运动时，也必须执行这项任务。迄今为止，尚不清楚大脑的哪些区域反映运动的预期结果（球的轨迹），哪些区域反映误差信号，哪些区域反映旨在补偿先前误差的修正运动指令。

为了解答这些问题，研究人员研究了恒河猴大脑中负责控制手臂和抓握动作的区域的运动学习。额叶区域负责通过向肌肉发送相应信号来规划和执行动作。顶叶脑区在整合感觉信号（尤其是视觉信号）方面发挥着关键作用，从而有助于确定运动目标在空间中的位置等。

3D虚拟现实（VR）任务的实验设置和解码方案

研究人员利用脑机接口训练恒河猴仅通过思维在三维虚拟环境中移动电脑光标。研究人员测量了相应脑区神经细胞群的活动。借助机器学习算法，脑机接口 (BCI) 持续解读动物的大脑活动模式，并将其转化为运动。通过这种方式，研究人员能够修改 BCI 算法，使翻译在不损害动物自然运动能力的情况下，系统性地避免错误。动物在屏幕上看到的动作与它们之前“想到”的动作并不一致。因此，猴子必须反复调整大脑活动，以弥补这些实验引发的错误。这使得研究人员能够详细研究大脑的学习过程。

实验范式和 BCI 适应

结果表明，与先前的研究结果一致，大脑无需重构其网络连接即可完成这项任务。大脑会依赖现有的解决方案，即大脑通常已知的运动，就像人们只是瞄准不同的方向来纠正新球的飞行特性一样。在其他学习情况下，大脑必须学习全新的运动序列，并为此改变或重新连接神经连接，但在本例中，这已被证明是不必要的。这对于神经假体来说是理想的，因为它使学习使用它们变得更容易。

令人惊讶的是，根据新的发现，大脑的不同区域会共同反映校正后的运动指令，而不是像之前假设的那样，大脑皮层的一部分反映运动指令给肌肉，另一部分反映该运动指令的预期感觉结果。后者描述了人们对自身运动在感官上（视觉和感觉）的体验的预期。在日常生活中，这两个运动控制组成部分通常具有非常相似的特征，因此很难区分负责它们的大脑区域。特殊的实验装置允许将这些组成部分分离并独立检查。因此，之前假设的顶叶和额叶脑区功能划分被发现是不准确的。

记忆周期译码器

“研究表明，大脑顶叶反映的不是运动的预期感觉结果，而是校正后的运动指令，大脑额叶区域也是如此，”该研究的首席研究员Enrico Ferrea说道。这令人惊讶，因为大脑顶叶以整合来自不同感觉器官的感觉信息而闻名。这意味着大脑皮层能够广泛而一致地进行调整，以根据不断变化的环境重新调整我们的运动计划。

“这项研究是我们理解运动规划和控制过程中学习过程的重要一步，”DPZ 感觉运动研究组负责人亚历山大·盖尔 (Alexander Gail) 表示。“通过了解大脑如何重新校准运动，我们可以开发更有效的假肢，帮助瘫痪或其他运动障碍患者恢复运动功能。”