学术新闻报告

背景介绍

运动皮质（motor cortex）一直以来都是运动控制研究的中心，主要研究其在主动运动执行中的作用。然而，人类在进行运动想象（motor imagery）时，即使没有实际的运动输出，运动皮质也会激活。过往的行为学和影像学研究已经证实了这种现象，但运动皮质在隐性运动想象中的特定活动模式和时间动态如何与实际运动执行中的那些模式和动态关联起来，仍然是一个未解之谜。在本文中，作者通过记录两名脊髓损伤患者在执行和想象是等长的腕关节伸展运动时的皮质内电活动，探讨了这一问题。

论文来源

这篇文章发表于2024年4月的《Nature Human Behaviour》期刊，标题为《Motor cortex retains and reorients neural dynamics during motor imagery》。作者包括Brian M. Dekleva、Raeed H. Chowdhury、Aaron P. Batista、Steven M. Chase、Byron M. Yu、Michael L. Boninger和Jennifer L. Collinger，分别来自University of Pittsburgh、Carnegie Mellon University等机构。

研究详情

研究流程

为了探讨运动皮质在实际运动与想象运动中的活动差异，研究团队设计了一个等长的腕关节伸展任务。参与者在实验中需要在一个固定框架内进行实际与想象的腕关节伸展。实验流程包括以下步骤：

1. 实验设置：参与者将手放在一个带有力传感器的固定装置中，并观察一个显示目标力量的横条。参与者需要按照指示在试验中产生相应的力量。
2. 数据收集：分别进行实际运动和运动想象的试验，每个试验包括36次动作和36次想象，收集运动皮质某些区域的电活动。
3. 神经活动处理：通过初步主成分分析（PCA）将记录的神经活动数据降维，以提取显著的神经活动子空间。

主要结果

研究结果表明，运动皮质的群体活动可以分解为三个正交子空间：

1. 共享子空间：既在实际运动中活跃也在运动想象中活跃。
2. 动作唯一子空间：仅在实际运动中活跃。
3. 想象唯一子空间：仅在运动想象中活跃。

这些子空间中的神经动态特征存在显著的相似性，尤其是动作唯一和想象唯一子空间之间，尽管它们处于正交的神经维度中。在运动想象过程中，运动皮质保持了与实际执行相似的整体群体动态，但通过将输出相关的成分重新定向到一个特殊的输出空无（output-null）子空间中。这也意味着，在运动想象时，运动皮质中用于运动控制和反馈的动态特征被重新定向到一个独特而不会产生实际输出的空间中。

主要结论

研究结果表明，运动皮质能够在运动想象期间保持与实际执行时期相同的神经动态结构，这为运动系统提供了一个有益的模拟实践工具。而这种保持了整体神经动态结构的特征，可能是由于运动皮质在运动想象中的活动被重新定向到不会产生实际输出的正交维度中。

研究亮点

1. 创新性方法：本研究通过将群体神经活动降维并分解成三个正交子空间，成功分离出了运动想象与实际运动中的独特神经成分。
2. 数据支持：通过实验证据表明，在运动想象中，运动皮质维持了运动执行时的总体神经动态，这为运动皮质在运动控制中的作用提供了新的视角。
3. 应用前景：这些发现对运动康复和脑机接口技术具有重要意义，表明通过运动想象可以实现类似于实际运动训练的效果，从而为改善运动功能提供了可能。

其他信息

如有需要进一步了解研究细节和数据的读者，可以参考文章的在线版本和附加信息，也可以从Authors公开的源代码和数据存储库（如GitHub）获取相关资料。

结论与价值

这篇文章不仅揭示了运动皮质在运动想象期间如何保持与实际运动执行期间相同的神经动态结构，还表明运动想象中的活动被重新定向到不会产生实际输出的空间。这一发现丰富了我们对运动皮质功能的理解，也为康复和脑机接口技术的进展提供了新的可能性。研究结果显示，运动想象和实际运动共享一部分神经机制，这意味着运动想象可以用作真实运动训练的替代或补充，对于那些在实际运动中存在障碍的群体具有重要应用价值。