感觉-运动信息整合在猕猴大脑皮层神经生理机制的研究

In a perception-action cycle, the sensory information is encoded in the primary sensory cortex, and interacts between multiple neural circuitries to produce motor outputs via primary motor area. Sensory-motor integration deficits will dramatically affect our action and language. Therefore, it is crucial to understand the neural mechanism underlying the process. Our previous work has demonstrated that the prefrontal (PFC) and primary somatosensory cortex (S1) were involved in the process of sensory-motor integration. However, we still do not know how the primary motor cortex (M1) participates, and communicates with PFC and S1 in this tactile-motor information transfer and integration. In this proposed study, we will train monkeys to learning haptic working memory task, and mainly collect single units in M1 and local field potentials (simultaneous recording) in three cortical areas (PFC, S1 and M1). Together with computational modeling, the goal of the research is to investigate the neural functions of PFC, S1 and M1 in the neural process of sensory-motor integration.

在感知-行为的皮层动力学中，来自于环境的感觉信息传入初级感觉皮层，经过多脑区环路整合的信息通过下行通路至初级运动皮层，引起运动行为。感觉-运动整合能力的受干扰和缺失，将会极大的影响到人类的动作行为和语言。因此理解感觉-运动的整合的大脑神经机理具有重要的作用。我们前期的研究工作已经发现包括前额叶(PFC)和初级触觉皮层(S1)参与到了该过程中，但是初级运动皮层(M1)是以何种形式参与，以及三个不同的脑区是如何共同工作完成感觉-运动整合的过程，对于这些我们并不清楚。本项目中，我们将训练灵长类动物猕猴学习触觉工作记忆任务，利用单细胞记录的方式，集中在M1皮层记录单细胞放电，并在PFC、S1和M1皮层同时记录局部场电位等生理信号，通过群体神经元、场电位和神经建模的方式，重点研究S1-M1 和S1-PFC-M1神经环路在触觉感觉-运动整合认知过程中的神经机理。

在感知-行为的皮层动力学中，来自于环境的感觉信息传入初级感觉皮层，经过多脑区环路整合的信息通过下行通路至初级运动皮层，引起运动行为。感觉-运动整合能力的受干扰和缺失，将会极大的影响到人类的动作行为和语言。因此理解感觉-运动的整合的大脑神经机理具有重要的作用。初级运动皮层（M1）中的神经元对内在固有及外在的动作参数进行编码，并在感觉-运动转换和相关动作执行中扮演着重要的作用。然而，我们对于M1在触觉工作记忆及触觉指导的运动规划过程之中的神经机制依然知之甚少。.在本基金的资助下，我们重新搭建了一套自主研发的触觉工作记忆行为学系统。利用该系统，我们训练猕猴学会了触觉的延时匹配工作记忆任务，其中动物需要触摸两根具有不同表面纹理的圆棒，并做出正确的拉杆动作以得到奖励。我们首先同步记录了M1中的单细胞活动，发现一部分神经元显示出了对水平和竖直条纹棒的差异化放电活动，这种差异在刺激的样例及决策阶段均有出现。其次，在决策阶段，除了发现一部分细胞会表现出对手运动方向特异性偏好活动，我们还发现了一群在准备阶段和伸手阶段显现出对触觉特征有偏好的神经元。这种差异化的活动与动物正确的行为学决策高度相关，并在错误的试次中受到了极大的削弱。进一步，细胞的发放与Beta频段的场电位之间的锁相值也在准备阶段显著升高。.结果提示，M1中的部分神经元表现出了对触觉物体感觉特征相关联的差异化活动，即对外界的触觉输入进行编码，而另一部分神经元表现出了在准备阶段的差异化活动，体现出出触觉信息的内在编码，这种编码得到维持并用于感觉信息指导的运动及行为决策中。结果提示，M1接受了来自于前运动区、辅助运动区或者前额叶皮层的自上而下的调控，为理解如何将感知输入保持在大脑中，并转化为运动输出提供了重要的实验证据，对高级神经认知功能疾病的诊断和治疗具有重要的理论价值。.发表标注受本基金资助的SCI论文4篇，培养博士、硕士各一名，得到人才类项目资助一项。