大腦擁有強大的能力執行和學習多樣的運動，這有賴于腦內的神經網絡產生多樣的神經活動模式。美國斯坦福大學的Shenoy團隊近期在《自然》雜志發表論文，展示了大腦運動皮層的神經網絡如何利用高維神經狀態空間中的多種活動模式來實現對新習得的運動的記憶索引。
在這項研究中，研究人員探索了大腦運動皮層的神經準備活動伴隨運動學習所產生的系統性的變化。他們訓練獼猴學習在力場中伸展手臂的任務，這個力場會產生與獼猴手臂運動方向垂直并與運動速率成正比的作用力。為適應和抵抗這個力場，獼猴需要學會使用手臂肌肉產生日常活動中未使用過的新的作用力。
研究團隊用電極記錄了獼猴運動皮層的情況，并用神經數據降維的數學方法分析了神經準備活動在不同神經狀態空間中的活動模式。
他們發現在一個可預測手臂力量的神經狀態子空間中，神經準備活動的變化直接反映了運動學習引起的行為變化，并且學習前存在的神經活動模式在學習后被重新使用。而在一個與此子空間正交的維度，神經準備活動產生了學習前未使用過的新的活動模式。
令研究人員意想不到的是，這些新的神經活動模式并不直接反映行為上的變化，但是當獼猴學習多個不同的力場時，每個力場會引發與該力場相應的獨特的新神經活動模式。此外，這些新的神經活動模式似乎會形成運動記憶，存儲在神經準備活動中。
綜合這些發現，研究人員推測，在這些神經準備活動的正交維度上，學習特定力場所產生的新神經活動模式有可能參與運動記憶索引，這也許有助于大腦學習和保存新的運動技能，同時不忘記舊的運動技能。
這項研究主要由美國斯坦福大學Shenoy實驗室博士研究生孫旭璐等合作完成。(科技日報記者 張佳欣)
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