一旦你学会了一项技能，比如系鞋带，你就可以多年坚持下去。这表明大脑中与技能相关的神经活动随着时间的推移保持稳定。
然而，到目前为止，还不可能找到这种稳定的神经信号，因为监测大脑活动所必需的电极可以看到一组不断变化的神经元。
新的西北医学发现提供了一种直接的方法来补偿记录神经元的这种变化。在这些活动模式中，科学家们发现了一小部分隐藏在单个神经元活动之下的神经“对话”，这些“对话”以一种非常稳定的方式描述了许多个月或几年的运动。
西北大学的科学家们能够从这些不断变化的大脑皮层运动和感觉区域的神经元中，记录、解码和重建保存下来的通用运动技能的活动模式。
这一发现对神经假体有直接的启示，神经假体是一种通过从病人大脑中推断有意的运动动作来绕过神经损伤的装置，然后利用这些解码的信息为病人提供对电脑光标、机器人肢体甚至是他们自己重新活动的肢体的自主控制。
西北大学芬柏格医学院生理学教授、该研究的主要作者李·米勒说:“这项研究意义重大，因为它首次从大脑不同区域的神经元中提取或‘解码’出一种稳定的信息模式，这些神经元共同作用，形成了一种运动。”“以前的研究主要集中在单个神经元上，它们的活动通常无法在几个小时内被记录下来，而且报告的结果有些矛盾。”
萨拉·索拉(Sara Solla)是该研究的主要作者之一，也是范伯格大学(Feinberg)的生理学教授，她强调了考虑许多神经元协同活动的重要性。“不是单个神经元的活动让我们了解大脑是如何工作的，而是相互连接形成网络的神经元的集体活动，”她说。
科学家们解决的挑战有点像参加鸡尾酒会，许多人在那里谈论政治、宗教和天气。组合起来的声音是不可能被听到的，听一个人说话只能让他们走开。然而，通过监视一些有代表性的人，并提取与这三个不同主题相关的信息，一个人可以带着对当前事件非常好的连续评论离开晚会。
大脑皮层的情况就是这样:人们可以从数百万个神经元中抽取几百个来寻找占主导地位的神经“对话”。通过结合来自许多神经元的同步记录，有可能提取出分布在整个人群中的稳定的活动模式，这可能允许在很长一段时间内对神经假体进行一致的控制。
这项研究发表在1月6日的《自然神经科学》杂志上。
米勒说，虽然已经有神经假肢的临床前演示，试图解决多种运动指令，但它们都有相同的局限性。驱动神经假体的单个神经元会在几天内发生变化。被记录的信号的不稳定性使得解释运动指令变得困难，并且要求患者和神经假体几乎每天都重新学习如何运动。
其他研究小组已经开发出了加速这一过程的方法，但西北大学的研究结果表明，如果人们把注意力集中在神经对话而不是单个神经元上，可能就没有必要这样做了。
“我们的研究支持最近的一个模型,大脑是如何工作的:通过使用高度分布式跨神经元的活动产生行为模式,而非通过仔细调整每个神经元的活动,”第一作者说胡安·加利西亚语前博士后在米勒的实验室现在是伦敦帝国学院的助理教授。
米勒的最终目标是制造出一种神经假体，能够将大脑信号(数十至数百个神经元的活动)长时间地转换成各种各样的运动。目前的神经假体只有在接受过训练的情况下才能发挥特别好的作用。
米勒说:“通过精确地预测受试者想要如何激活他们的许多单独的肌肉，这个未来的神经假肢在原则上应该允许用户执行任何她想要的动作。”
但实现这一目标仍面临挑战。目前，科学家们可以建立一个数学模型，预测肌肉在特定任务期间的活动(米勒的团队已经完成了几个任务)，甚至是在一个稍微不同的任务期间。
“然而，当你在一个非常不同的任务中测试这些数学模型时，它们就失败了，”米勒说。“换句话说，在当前的方法下，‘钉钉子’模型在受试者‘涂口红’时可能并不适用。”
米勒的实验室团队正在努力克服这一挑战。在临床前研究中，他们对大脑信号、肌肉活动和运动数据进行无线记录。他们正在探索人工智能的方法，以建立一个适用于比以前更广泛的运动的模型。
米勒说:“如果成功，这项研究将为把神经假肢从实验室带到患者家中开辟令人兴奋的新途径。”
论文的合著者包括西北大学的萨拉·索拉、西奈山伊坎医学院的马特·佩里奇和匹兹堡大学的雷德·乔杜里。
这项工作部分得到了美国国家神经疾病和中风研究所F31-NS092356和NS053603的资助，以及美国国家儿童健康和人类发展研究所、所有美国国立卫生研究院、美国国家科学基金会的T32-HD07418的资助。
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