7月19日的《科学》(Science)杂志网站上发表了美国华盛顿大学圣路易斯分校科学家的研究成果,他们设计了一项实验,让两只猴子绕过障碍物抓取目标物,通过解码它们执行任务时的脑电活动,能看到它们打算采取的“策略”,而且能清晰显示出它们不同的性格。
研究人员给神经元放电率设置了参数,并将执行任务中牵涉到的参数进行编码。他们利用了一种专门测试随意运动控制的标准任务,叫做“中心—外围任务”,然后随机选择了两只猴子进行实验,两只猴子恰好一只非常活跃,一有风吹草动就过早行动;另一只则很安静,观察着直到所有条件都显露出来才采取下一步行动。活跃型猴子称为H猴,安静型猴子称为G猴。
在任务中,猴子要把手从中心位置移动到目标位置,目标物围绕中心放置。该校工程学院生物医学工程副教授丹尼尔·莫兰解释说,要完成这一任务,猴子需要3条信息:手的当前位置、目标位置和速度向量。
从猴子本身来说,以直线路径无障碍地到达目标,则无法将速度编码和目标位置编码区别开,因为手的初速度方向和目标位置方向总是相同。为了区别目标位置和运动方向,博士生托马斯·皮尔斯在中心—外围任务的基础上,设计添加了一种障碍回避任务。改进后的任务还包括多个起点位置,以此把位置神经编码和速度神经编码区别开。
在任务第三阶段,公共向量表示朝向目标位置的速度。障碍出现后,猴子必须将手移动一个弧形才能到达目标,这时公共向量就延长且再次指向目标。如果没有出现障碍,猴子会直接把手移动到目标,也就是说,猴子脑中编码的目标位置和起点位置不在同一直线上时,它必须把目标位置“记在心里”。“这就是设计任务所要做的。”莫兰说。
研究人员将两只猴子的实验数据分别解码,得到了清晰的图景。它们打算采取哪种策略完成任务在第二阶段清晰地显示出来,能看出它们完成任务的方式非常不同。事实上,这就是猴子的“内心想法”。
在此阶段,目标物已出现但障碍物尚未出现。在执行任务时,H猴没有等待,它的公共向量显示,它准备朝直接到达目标的方向行动,而障碍物出现后,它的公共向量缩短转向另一个方向,显示出它不得不改变方向以避开障碍物。而G猴在此阶段比较悠闲,耐心等着障碍物出现后,它才开始计划行动方向,以避开障碍。由于G猴不需要校正方向,所以能更快抓住目标。
这能否说明它比H猴的冒进策略更有利?研究人员解释说,在大部分没有障碍物的实验中,H猴比G猴能更准确地抓住目标。也许从认知类型上讲,H猴更适合一个“打地鼠”(即需要快速直接反应能力)的世界,而G猴在不需要拟定计划的情况下就会处于劣势。(生物谷Bioon.com)
doi:10.1126/science.1220642
PMC:
PMID:
Strategy-Dependent Encoding of Planned Arm Movements in the Dorsal Premotor Cortex
Thomas M. Pearce, Daniel W. Moran*
The kinematic strategy encoded in motor cortical areas for classic straight-line reaching is remarkably simple and consistent across subjects, despite the complicated musculoskeletal dynamics that are involved. As tasks become more challenging, however, different conscious strategies may be utilized to improve perceived behavioral performance. We discovered that additional spatial information appeared both in single neurons and in the population code of monkey dorsal premotor cortex when obstacles impeded direct reach paths. The neural correlate of movement planning varied between subjects in a manner consistent with the use of different strategies to optimize task completion. These distinct planning strategies were manifested in the timing and strength of the information contained in the neural population code.