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当大脑计划运动时,额中回在倾听

一项脑-机接口研究揭示了大脑的一个区域在计划动作时只对声音做出反应时的惊人作用。

罗得岛州普罗维登斯[布朗大学]-在游泳池比赛马可波罗中,“马可波罗”闭着眼睛走到其他球员面前,只在听到其他球员说“马可波罗”时才做出反应。成功取决于一个人对声音信号做出反应的能力,而一项新的研究发现,大脑的特定部分可能会帮助实现这一点。

发表在《科学报告》杂志上的这项研究提供了证据,证明中额回(大脑额叶的一部分)的神经元可能在计划身体运动中发挥作用,但只有当这些运动是对听觉刺激的反应时。这些发现代表了大脑的这部分可能是一种以前未知的功能,并为研究人员开发用于运动和听力障碍的辅助设备提供了新的目标。

这项工作是BrainGate临床试验的一部分,该试验研究一种微型研究性植入物,它能够直接记录来自大脑的信息,并利用这些信息驱动电脑游标甚至机器人假体设备的运动。

”一个叫“大脑之门”的临床试验的机会,同时我们致力于帮助瘫痪的人,我们也对人类大脑学习新事物,”雷博士说,神经病学家布朗大学工程学教授和主任试验和“大脑之门”财团。“这一发现完全是个惊喜,令人兴奋。”

到目前为止,像BrainGate这样的脑机接口(BCI)植入物大多被放置在运动皮层,这是大脑中与自主运动相关的部分。但是研究人员感兴趣的是通过探索大脑的其他部分来利用BCIs的额外信号,包括可能参与运动和动作上游规划的区域。研究人员在观察一个用于脑机接口记录的新大脑区域时,有了这个新发现。

“有大量的文献表明,运动前区皮层的部分对前面的大脑——该地区我们早看在这项研究中,成为活跃运动时运动皮层比后部区域的任务,”卡洛斯Vargas-Irwin说,布朗大学的助理教授神经科学(研究)和研究文章的第二作者。“如果我们能够记录来自这些区域的信号,我们就有可能进一步加快神经接口系统的反应。这就是我们正在调查的。”

在这项研究中,临床试验参与者在他的胳膊和腿瘫痪的脊髓损伤被要求执行一个简单的移动相关任务:通过观察一个形状在电脑屏幕的角落里,他会试图抓住它并将它移动到中间时暗示。这是第一次在参与者被fMRI(一种实时研究大脑信号的非侵入性方法)监控时完成的。功能性磁共振成像的数据表明,位于额中回的前运动皮层的一个特定部分在执行任务时似乎是活跃的。

下一步是将BrainGate微电极阵列植入同一参与者大脑的那部分,并重复尝试的运动任务。但令研究人员惊讶的是,该阵列在重复运动任务时没有检测到有信息的信号。

“我们希望,基于功能磁共振成像的数据,我们能看到一些相关的活动,”霍赫伯格说,他也是退伍军人事务康复研究和发展中心的神经恢复和神经技术的负责人。“所以,至少可以说,当我们不知道的时候,这很令人费解。”

就在这时,研究出现了另一个意想不到的转折。当研究小组查看来自相关研究会议的数据时——在该会议中,他们口头告诉参与者应该去拿哪个目标——阵列突然接收到来自中额回的强烈信号。

“就在那时,我们的困惑变成了惊喜,”Vargas-Irwin说。

这使得该团队设计了一项新的研究,在给予听觉提示和仅给予视觉提示之间交替进行。这项工作有助于证实——至少在这个参与者身上——额中回的神经元只会对听觉线索作出反应,产生与运动相关的信号。

“好像这些神经元对视觉信息根本不感兴趣,”Hochberg说。“但它们确实会对听觉信息做出反应,这完全出乎意料。”

研究人员警告说,这是一项涉及单个参与者的研究,所以需要做更多的工作来证实和推广这些发现。但这项研究确实为改进神经接口设备提出了一个新的探索目标。

“我们用来将神经活动转化为行动的解码器专注于当前发生在中央前回的活动,”Hochberg说。“为了补充这一点,我们希望训练解码器来解释和利用在运动皮层活动开始前200毫秒或更久发生的活动。”如果我们能做到这一点,最终可能会产生更可靠、更直观的神经接口。”

隶属于布朗卡尼脑科学研究所的霍赫伯格说,他很高兴BrainGate的临床试验可能揭示了一项新的神经科学基础发现。

他说:“这项工作涉及神经科学和工程学的博士后和研究生,我认为它强调了在一个多学科的研究环境中可以实现什么。”“我们也要感谢所有卓越的临床试验参与者,是他们让这项工作成为可能。他们和我们一起参与这项研究,帮助其他有严重语言或运动障碍的人。只有通过参与者难以置信的奉献精神、洞察力和反馈,我们才能创造出恢复交流和行动能力的神经技术。”

布朗大学的其他作者包括:Tommy Hosman, Jacqueline Hynes, Jad Sab, Kaitlin Wilcoxen和John Simeral。来自麻省总医院的作者包括布莱德利·布赫宾德、尼古拉斯·施曼斯基、西德尼·卡什、布莱恩·弗兰科和杰西卡·克莱门。

该研究得到了美国退伍军人事务部(N9228C, N2864C, B6453R, P1155R, A2295R),美国国立卫生研究院(R01DC009899, U01DC017844, UH2NS095548, U01NS098968, T32MH020068, DP2 NS111817)和马萨诸塞州总医院的支持。

警告:临床实验的装置。被联邦法律限制为调查性使用。

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:https://www.brown.edu/news/2021-01-12/mfg