使用電生理神經(jīng)信號采集系統(tǒng)研究獼猴自發(fā)運(yùn)動(dòng)過程中的神經(jīng)認(rèn)知信號

靈長類動(dòng)物認(rèn)知加工的單神經(jīng)元基礎(chǔ)主要在運(yùn)動(dòng)受到嚴(yán)重限制的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中進(jìn)行研究。因此，目前尚不清楚自然運(yùn)動(dòng)如何影響大腦中認(rèn)知的神經(jīng)特征。此外，對小鼠的研究表明，在測量身體運(yùn)動(dòng)時(shí)，身體運(yùn)動(dòng)占了皮層神經(jīng)動(dòng)力學(xué)的大部分。

為了研究這些問題，本文使用Cereplex Direct 在體多通道神經(jīng)信號采集系統(tǒng)和Cereplex E放大器（Blackrock Microsystems）記錄了執(zhí)行認(rèn)知任務(wù)的移動(dòng)猴子前額葉皮層中的單神經(jīng)元活動(dòng)，并使用視頻跟蹤表征了眼睛、頭部和身體的運(yùn)動(dòng)。

首先研究員們訓(xùn)練三只雄性獼猴執(zhí)行一種計(jì)算機(jī)化的視覺條件關(guān)聯(lián)任務(wù)，以證明前額葉區(qū)域?qū)θ蝿?wù)表現(xiàn)的因果必要性，而不是鄰近的前額葉區(qū)域。

圖1：任務(wù)設(shè)計(jì)和電極。

圖2：行為表現(xiàn)和運(yùn)動(dòng)跟蹤。

圖3：單個(gè)神經(jīng)元和群體分析。

圖4：單個(gè)神經(jīng)元和群體分析。

雖然多次試驗(yàn)的平均值是有用的，但大腦在逐時(shí)逐刻生成自然行為時(shí)無法從這種降噪方法中受益。因此，基于單次試驗(yàn)的神經(jīng)編碼的信息內(nèi)容是一個(gè)更現(xiàn)實(shí)的指標(biāo)。研究員們使用單次解碼方法，僅選擇同時(shí)記錄的神經(jīng)元的神經(jīng)集合，以評估自由凝視和運(yùn)動(dòng)期間的神經(jīng)編碼的信息內(nèi)容。

圖5：神經(jīng)集成的解碼分析。

雖然認(rèn)知處理可以從自由運(yùn)動(dòng)期間的神經(jīng)集合活動(dòng)中解碼，但未經(jīng)指導(dǎo)的運(yùn)動(dòng)可能與任務(wù)變量對齊和關(guān)聯(lián)，這可能是一個(gè)重要的混淆信息來源。在猴子K中，研究員們觀察到這樣一個(gè)刻板運(yùn)動(dòng)，即在延遲階段期間的凝視和頭部位置偏差揭示了被選擇的選項(xiàng)。為了評估這種運(yùn)動(dòng)偏差對神經(jīng)活動(dòng)的貢獻(xiàn)，他們進(jìn)行了三項(xiàng)控制任務(wù)。

圖6：通過修改后的任務(wù)操作未指令的動(dòng)作。

對于猴子K的偏倚任務(wù)，一種刻板運(yùn)動(dòng)被減少，而對于猴子L，這種運(yùn)動(dòng)被創(chuàng)造。在比較兩只猴子的頭部自由和頭部固定會(huì)話時(shí)，研究員們沒有觀察到對指令提示、目標(biāo)或位置變量的神經(jīng)元比例有顯著增加或減少，盡管頭部運(yùn)動(dòng)大幅減少。

圖7：修改后的任務(wù)對神經(jīng)群體調(diào)優(yōu)沒有影響。

最后研究員們建立了一個(gè)線性編碼模型，該模型使用大量任務(wù)和運(yùn)動(dòng)變量來預(yù)測同時(shí)記錄的神經(jīng)元集合的神經(jīng)活動(dòng)。模型設(shè)計(jì)矩陣包括離散事件變量以及連續(xù)的模擬變量。

圖8：任務(wù)、指令和非指令動(dòng)作的神經(jīng)編碼。

盡管試驗(yàn)中運(yùn)動(dòng)存在相當(dāng)大的差異，但可以在單次試驗(yàn)的基礎(chǔ)上精確測量單神經(jīng)元信號并準(zhǔn)確解碼決策信號。這些結(jié)果表明，皮層中的認(rèn)知信號對自然運(yùn)動(dòng)是穩(wěn)健的，但未測量的運(yùn)動(dòng)在認(rèn)知神經(jīng)生理學(xué)實(shí)驗(yàn)中也是潛在的影響因素。