神经群体活动的时间动态约束
神经群体活动的时间动力学约束：脑机接口揭示的神经计算机制
学术背景
大脑的神经活动如何随时间演化，是理解感知、运动和认知功能的核心问题之一。长期以来，神经网络模型认为，大脑的计算过程涉及由网络连接塑造的神经活动时间进程。这一观点提出了一个关键预测：神经活动的时间进程应该是难以违反的。然而，这一预测在实际的生物学神经网络中是否成立，尚未得到直接验证。为了回答这一问题，研究人员利用脑机接口（Brain-Computer Interface, BCI）技术，挑战猴子违反其运动皮层中自然出现的神经群体活动时间进程，包括尝试以时间反转的方式遍历这些活动进程。通过这一实验，研究团队试图验证神经活动的时间进程是否反映了底层网络的计算机制，并探讨这些进程是否可以被人为改变。
论文来源
这篇论文由 Emily R. Oby、Alan D. Degenhart、Erinn M. Grigsby 等研究人员共同撰写，来自匹兹堡大学生物工程系、卡内基梅隆大学电气与计算机工程系等多个研究机构。论文于 2025 年 2 月发表在 Nature Neuroscience 期刊上，标题为《Dynamical constraints on neural population activity》。
研究流程
实验设计与研究对象
研究团队在恒河猴的运动皮层中植入了多电极阵列，记录约 90 个神经单元的活动。通过 BCI 技术，猴子能够通过神经活动控制计算机光标的移动。研究的主要目标是通过 BCI 任务，观察猴子在自然状态下神经群体活动的时间进程，并试图通过改变反馈方式或任务设计，挑战猴子违反这些时间进程。
研究分为以下几个主要步骤：
自然神经轨迹的识别
首先，研究人员记录了猴子在 BCI 任务中自然产生的神经群体活动。通过高斯过程因子分析（Gaussian Process Factor Analysis, GPFA），他们将神经活动转化为 10 维的潜在状态，并将其映射为 2 维光标位置。这一映射使得猴子能够直观地看到其神经活动的展开过程。神经轨迹的分离与投影
研究人员设计了两种 BCI 映射：MoveInt（基于运动意图的映射）和 SepMax（最大化分离的映射）。MoveInt 映射允许猴子灵活地控制光标，而 SepMax 映射则突出了神经轨迹在特定维度上的时间结构。通过这两种映射，研究人员能够观察猴子在不同反馈条件下神经活动的变化。时间反转挑战
为了测试猴子是否能够违反自然的时间进程，研究人员设计了一系列任务，要求猴子尝试以时间反转的方式生成神经活动模式。例如，在“中间目标任务”中，猴子需要将光标从一个目标移动到另一个目标，但路径的设计迫使猴子违反自然的时间进程。路径指导任务
在最终的“路径指导任务”中，研究人员通过视觉边界限制光标的移动路径，进一步挑战猴子生成时间反转的神经轨迹。通过逐步缩小边界，研究人员测试了猴子在强激励下是否能够改变其神经活动的时间进程。
主要结果
自然神经轨迹的稳定性
研究发现，即使在 BCI 控制下，运动皮层的神经群体活动依然表现出丰富的时间结构，类似于在手臂运动中的神经活动。这些时间结构在不同的反馈条件下表现出高度的一致性，表明神经活动的时间进程具有内在的稳定性。时间反转的失败
当猴子被要求生成时间反转的神经轨迹时，它们无法直接违反自然的时间进程。在中间目标任务中，猴子无法直接移动到目标，而是需要先跟随自然的时间进程，然后再“回钩”到目标位置。这表明神经活动的时间进程具有难以违反的约束性。路径指导任务的局限性
在路径指导任务中，尽管猴子被强激励以改变其神经轨迹，但它们仍然无法生成时间反转的轨迹。相反，猴子的光标轨迹继续遵循自然的时间进程，即使这意味着任务失败。这一结果进一步支持了神经活动时间进程的刚性。
结论与意义
研究表明，神经群体活动的时间进程反映了底层网络的计算机制，并且这些进程在生物学神经网络中具有高度的稳定性。即使通过 BCI 技术强激励猴子改变其神经轨迹，它们也无法轻易违反这些时间进程。这一发现为神经网络模型的计算机制提供了直接的实验证据，并揭示了神经活动时间进程在脑功能中的重要性。
研究亮点
脑机接口的创新应用
研究团队利用 BCI 技术，直接测试了神经活动时间进程的灵活性，为理解神经计算机制提供了新的实验范式。时间进程的刚性
研究发现，神经活动的时间进程具有高度的稳定性，难以通过外部激励改变。这一发现为神经网络模型的计算机制提供了重要的实验支持。神经动力学的内在约束
研究揭示了神经群体活动的时间结构是网络连接的内在属性，而非简单的运动命令或感觉反馈的反映。这一发现深化了对神经动力学机制的理解。
总结
这项研究通过脑机接口技术，揭示了神经群体活动时间进程的内在约束性，并提供了神经网络模型计算机制的实验证据。这不仅深化了我们对脑功能的理解，也为未来开发更高效的脑机接口技术提供了重要的理论基础。