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在体多通道神经信号采集系统助力动物相似行为的神经动力学机制研究

2024-12-27     来源:本站     点击次数:430

同一物种的动物表现出相似行为,这些行为有利于适应它们的身体和环境。然而,目前尚不清楚这些常见的行为适应是如何从神经回路中出现的。

神经回路的整体组织在个体之间得以保留是因为他们共同的进化发育计划。这种回路级别的组织可能会限制神经活动,导致整个神经种群的低维潜在动力学。



因此,本文提出一个物种内共享的回路级约束将导致个体之间适当保留潜在动力学。本文通过Cerebus在体多通道神经信号采集系统(Blackrock Microsystems)记录了来自猴子和小鼠运动皮层的神经种群活动,以证明当来自同一物种的个体执行相似行为时,它们的神经动力学出奇地保留了下来。

图 1:假设。


研究员们使用猴子和小鼠在执行上肢任务时的神经种群记录测试了上述四个预测。首先,他们分析了参与 8 个目标的定向延迟中心外伸任务的猴子的运动皮层记录。

图 2:执行相同行为的动物之间保留的潜在动态。

接下来为了确定保留的潜在动态不仅仅反映拓扑结构,研究员们测试了这种拓扑结构是否足以产生保留的潜在动态,并发现个体之间的保留受到显著损害。

图 3:在行为复杂性较高的顺序到达任务中保留的潜在动态。

鉴于运动皮层是产生运动的脊髓回路的主要皮层输出,运动皮层潜在动力学和行为输出之间的密切对应可能是该区域的结构和投射的独特结果。为了测试整个大脑中是否存在保留的潜在动力,研究员们研究了基底神经节的皮层下核,它不直接投射到脊髓,但对行为的各个方面都至关重要。

图 4:基底神经节和隐蔽行为期间保留的潜在动态。

最后研究员们认为要求行为相似性是必要的,但不足以允许潜在动态的对齐。为了测试这一点,研究员们训练了递归神经网络 (RNN) 以产生相似的行为输出,同时生成不同的潜在动态。他们设计了一个 RNN 模拟,通过改变成本函数的参数来控制潜在动态的保留程度α。

图 5:类似的行为输出对于保持潜在动态是必要的。

综上所述,当动物有意识地计划未来的运动而没有明显的行为时,神经种群动力学被保留了下来,并能够解码不同个体之间的运动。此外,本文还发现保存的神经动力学延伸到皮质区域之外,延伸到背侧纹状体,这是一种进化上更古老的结构。最后,研究员们使用神经网络模型来证明行为相似性对于这种保留是必要但不充分的。
原文链接:https://doi.org/10.1038/s41586-023-06714-0

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