触觉运动觉之移动速度的神经编码与信息整合研究

To improve the brain-machine interface (BMI) technology, the use of somatosensory feedback, such as tactile and proprioception, is in the ascendant. However, the neuronal coding scheme for tactile motion speed remains largely unexplored. To achieve understanding of tactile motion speed processing, we will present tactile stimulus to the fingerpads of macaque monkeys and perform single unit recordings in primary somatosensory cortex. We hypothesized that the neurons in primary somatosensory cortex, such as areas 3b and 1, performed a linear-nonlinear filtering process to yield band-pass responses to motion speed. In addition, tactile motion percept in daily life involves multi-digit experience. It remains unclear how motion information originated from multiple discrete sensory sheets such as fingerpads are integrated together to form a coherent motion speed percept. In the present project, we will then explore possible multi-digit speed estimation algorithms, such as intersection-of-constrains, vector average, and simple energy summation, to infer the holistic motion speed in multi-digit scenarios. The goal of this project is to characterize the tactile motion perception and set the neural coding modeling that will further the development of BMI and virtual reality.

为满足脑机接口技术升级的需求，与运动反馈相关的触觉运动觉(触动觉)研究方兴未艾。其中，触动觉速度感知的神经编码至今未明。本项目将应用申请人自主开发的三轴向球型触觉刺激仪，针对猴子手指给予触觉移动刺激，并使用电生理技术记录大脑躯体感觉皮层神经元的活动。本项目中，我们假设初级躯体感觉皮层3b或是1区的神经元对于触觉速度感知进行线性-非线性的滤波编码，形成类似带通滤波的反应。此外，日常生活的触觉认知常涉及多个手指的触觉经验，但至今我们尚不明晰不同手指间的触动觉信息是如何整合为触觉移动感知的。因此，本实验将探索可能的多指信息整合方法，如条件约束交叉法、向量平均法、或单纯能量相加法等。本项目的完成将明确触动觉感知的编码模型，为脑机接口及虚拟现实提供触觉感知模型的技术支持。

触觉运动觉（触动觉）感知与日常生活密切联系，且与运动控制息息相关。随着脑机接口技术的发展，如何突破运动反馈信息的限制成为推动其发展的重要关键之一。因此，探究触动觉的神经编码和信息整合机制是十分必要的。目前有关触动觉的研究大多关注于方向感知的编码信息，而对速度感知机制了解甚少，同时，大多研究也停留在单个手指触觉的编码机制，缺乏在多指参与的情况下，触觉速度是如何进行感知和信息整合的研究。本研究利用实验室自行研制的三轴球型触觉刺激仪，分别对非人灵长类动物和健康被试进行了电生理实验和心理物理实验来探究触动觉速度的编码和整合机制。.我们发现触动觉速度感知参与了触动觉方向感知的处理，速度感知对方向感知的系统性偏差、非系统性偏差（振幅和相位）均存在一定程度的线性关系。而速度感知本身也受到波长（即空间分辨率）的影响，同时，感知速度也会受到机械感受器自身性质的局限。同时，我们在多指触动觉整合的研究结果表明，多指整合机制可能遵循了非中心参照坐标，而非自我中心参照。再者，非人灵长类动物的电生理实验提示，初级体感皮层神经元发放频率与刺激速度存在多种调谐曲线，且一些神经元可能同时存在对方向和速度感知的偏好性。.结合以上结果可知，分布于皮肤内部的机械感受器特性对触动觉速度感知的编码机制起决定性作用，而触动觉方向和速度的信息整合过程可以在单个神经元中实现，但触觉感知的形成可能需通过初级体感皮层不同分区的整体活动整合模式得出，因此，初级体感皮层不同分区如何进行整合，未来仍须通过初级体感皮层不同分区的同步电生理记录，进一步研究触动觉整合机制与模型的。.本课题初步揭示了触动觉的速度编码机制与多指触动觉信息整合过程，为脑机接口在实际应用环节缺少触觉的反馈输入信息提供了神经信号基础，完善了脑机接口的闭环控制流程。