分离小鼠行为中的认知和运动过程
认知与运动过程的分离：小鼠行为研究的突破性进展
学术背景
在动物行为的研究中，认知过程和运动过程通常是紧密交织的。例如，当一只小鼠在环境中探索时，它的面部表情或主动采样的行为不仅反映了其运动，还与其大脑中的神经活动密切相关。然而，长期以来，研究者们面临一个根本性问题：认知过程和运动过程是否可以分离，或者说它们是否由共同的神经机制驱动。如果无法将这两者分开，研究者可能会将运动相关的神经活动误认为是认知过程的标志，从而影响对神经电路功能的正确理解。
为了解决这一问题，来自Boston University的研究团队设计了一项行为任务，通过小鼠的实验，探索了认知和运动过程的分离性。他们的研究不仅展示了如何评估这种分离性，还开发了一种新的方法来分离与认知和运动相关的神经动力学。这项研究的成果为理解大脑如何支持复杂行为提供了新的视角，并为未来开发神经电路功能的概念和计算模型奠定了基础。
论文来源
这篇题为《Separating cognitive and motor processes in the behaving mouse》的论文由Munib A. Hasnain、Jaclyn E. Birnbaum、Juan Luis Ugarte Nunez、Emma K. Hartman、Chandramouli Chandrasekaran和Michael N. Economo等人共同完成。研究团队来自Boston University的多个部门，包括生物医学工程系、神经光子学中心和系统神经科学中心。论文于2024年发表在《Nature Neuroscience》期刊上。
研究流程与结果
1. 行为任务设计
研究团队设计了一种双情境任务，要求小鼠在两种不同的认知环境中执行定向舔舐行为。任务包括延迟反应任务（DR任务）和水提示任务（WC任务）。在DR任务中，小鼠需要在听到提示音后延迟一段时间再做出反应；而在WC任务中，小鼠会在随机时间和随机位置获得水奖励。这种设计使得小鼠需要在不同情境下切换行为，从而同时涉及多种认知过程，如感知决策、运动规划和情境编码。
2. 运动与神经活动的记录
为了捕捉小鼠在执行任务时的运动，研究团队使用高速摄像机记录了小鼠的舌头、下巴、鼻子和爪子的运动，并通过计算运动能量（motion energy）来量化这些运动。同时，他们使用高密度硅探针记录了小鼠前外侧运动皮层（ALM）的神经活动，以研究与认知和运动相关的神经动力学。
3. 光遗传学干预
为了进一步研究运动皮层在任务中的作用，研究团队使用了光遗传学技术，在特定时间点抑制小鼠的ALM或舌头-下巴运动皮层（TJM1）。结果显示，抑制这些区域会显著影响小鼠的运动执行和运动规划，表明这些区域在任务中扮演了关键角色。
4. 神经动力学的子空间分解
研究团队开发了一种新的子空间分解方法，将神经活动分解为与运动相关的“运动潜能子空间”和与认知相关的“运动无效子空间”。通过这种方法，他们发现与认知和运动相关的神经动力学在大脑中是可分离的，并且由不同的神经元群体编码。
5. 认知与运动的关系
研究结果表明，虽然认知过程和运动过程在时间上高度相关，但它们在大脑中的神经动力学是可分离的。例如，与选择相关的神经信号在“运动无效子空间”中表现出稳定的内部表征，而与运动相关的信号则主要出现在“运动潜能子空间”中。这种分离性为理解大脑如何处理复杂行为提供了新的视角。
结论与意义
这项研究的主要结论是，认知过程和运动过程在大脑中的神经动力学是可分离的，并且它们由不同的神经元群体编码。这一发现不仅解决了长期以来关于认知和运动过程是否由共同神经机制驱动的争议，还为未来的神经科学研究提供了新的方法论。通过子空间分解，研究者可以更准确地分离与特定认知和运动过程相关的神经信号，从而更好地理解神经电路的功能。
研究亮点
- 创新的子空间分解方法：研究团队开发了一种新的子空间分解方法，能够有效地分离与认知和运动相关的神经动力学。
- 双情境任务设计：通过设计复杂的双情境任务，研究团队成功地在小鼠中模拟了多种认知过程，为研究认知与运动的关系提供了理想的实验平台。
- 光遗传学与神经记录的结合：通过结合光遗传学和神经记录技术，研究团队深入揭示了运动皮层在认知和运动过程中的作用。
- 神经动力学的可分离性：研究首次证明了认知和运动的神经动力学在大脑中是可分离的，这一发现为未来的神经科学研究提供了重要的理论基础。
其他有价值的信息
研究团队还发现，某些认知过程（如选择）在大脑中的表征是稳定且持久的，而其他过程（如紧迫感）则与运动密切相关。这一发现进一步揭示了大脑如何处理不同类型的认知任务，并为未来的研究提供了新的方向。此外，研究团队的方法可以广泛应用于其他行为任务和物种，为神经科学领域的广泛研究提供了新的工具。
这篇论文不仅为理解大脑如何处理认知和运动过程提供了新的视角，还为未来的神经科学研究提供了重要的方法论。通过创新的实验设计和数据分析方法，研究团队成功地解决了这一领域的长期争议，并为未来的研究开辟了新的道路。