同一物种的不同动物在执行相同行为时，具有保存的神经动力学特征

主要作者及发表信息

本研究由Mostafa Safaie、Joanna C. Chang、Junchol Park、Lee E. Miller、Joshua T. Dudman、Matthew G. Perich及Juan A. Gallego共同完成。Matthew G. Perich和Juan A. Gallego为共同通讯作者。研究团队主要来自帝国理工学院生物工程系、霍华德·休斯医学研究所珍妮利亚研究园区、西北大学和蒙特利尔大学。该研究成果于2023年11月8日在线发表于《nature》期刊第623卷。

学术背景

本研究属于系统神经科学领域，核心问题是理解神经活动如何产生行为。动物的行为是由全脑神经群体的协调活动驱动的，这种活动源自于潜在的神经动力学（latent dynamics），即神经群体中主导协变模式的时间依赖性激活。尽管同一物种的不同个体能够表现出相似且高度适应其身体和环境的物种典型行为，但每个个体的大脑回路却存在巨大差异，例如在特定类型神经元、树突形态和受体分布等方面均存在个体特异性。这引出了一个核心矛盾：相似的行为如何从特异的神经回路中产生？

对此，存在两种假设。第一种假设认为，每个个体独特的回路会产生独特的潜在动力学，最终殊途同归地产生相同的行为输出。第二种假设，也是本文采纳的假设，认为由物种特异性发育程序决定的共同回路组织，会约束神经活动，使得不同个体在执行相同行为时产生“保存的潜在动力学”（preserved latent dynamics）。该研究旨在验证这一假设，并探索其背后的机制。

研究流程与核心方法

为验证假设，研究团队设计了一系列实验，在猴和小鼠两个物种上，利用执行上肢任务时的神经群体记录数据进行分析。

猴中心向外伸手任务实验 研究首先分析了三只恒河猴（monkeys C, M, J）在执行一个具有八目标的指令延迟中心向外伸手任务时的运动皮层（motor cortex）记录数据。猴子经过良好训练，其手部运动轨迹高度刻板。研究者使用主成分分析（principal component analysis, PCA）来估计外显运动执行过程中的潜在动力学，将每个记录的神经元（或猴子J的多单位活动）的放电率投射到前十个主成分轴（即神经模式，neural modes）上。随后，使用典型相关分析（canonical correlation analysis, CCA）对不同动物的每对实验会话的潜在动力学进行对齐（alignment），该方法通过线性变换最大化两组信号之间的相关性。结果显示，不同猴子的潜在动力学在统计学上具有高度的保存性，其跨动物相关性（across-animal correlations）大幅超过了下限对照，且几乎等同于同一动物内部两子集试验的对齐值（within-animal correlations）。这一结果在来自三只猴子的所有126对会话组合中均成立。

解码分析验证行为相关性 为证明保存的动力学与行为相关，研究者训练了长短期记忆网络（long short-term memory networks, LSTMs）解码器，用于预测手部运动轨迹。将一个动物数据上训练的解码器在第二个动物上进行测试，其跨动物解码准确率（across-animal decoding accuracy）接近了在同一动物上训练和测试的性能上限。这表明，保存在跨动物运动皮层动力学中的信息包含有关进行中运动运动学的详细内容。

小鼠伸手拉杆任务实验 研究者在四只小鼠（mice）上分析了其执行伸手并拉动操纵杆任务时的数据。小鼠的行为输出在试验间的相似性低于猴子。分析结果证实，小鼠运动皮层的潜在动力学在跨个体间也大致保存，但其相关性低于猴子。这一差异可以通过猴子的行为比小鼠更为刻板来解释。跨物种比较证实，行为的刻板程度与跨个体潜在动力学的保存性以及跨动物解码准确率直接相关。

随机顺序伸手任务实验 为排除任务拓扑结构的影响，研究者在猴子执行连续、结构松散的随机目标序列伸手任务时进行了测试。他们将工作空间划分，根据初始手部位置和伸手方向匹配不同个体的动作，生成多达29个类似伸手条件。即使在这种行为复杂度剧增的任务中，仍能揭示跨个体保存的潜在动力学。进一步控制分析表明，即使在仅包含约20个神经元时，这种动力学保存性仍然存在，尽管当打乱条件、降低行为相似性时会减弱。

验证行为相似性的必要性而非充分性 研究通过循环神经网络（recurrent neural networks, RNNs）模型证明行为相似性是必要但不充分的条件。他们训练两组RNN执行相同的中心向外伸手任务。第一组为标准网络，第二组为“受约束”网络，其训练时被额外惩罚，要求其潜在动力学与标准网络不同。通过调整惩罚项参数α，可以创建出行为输出高度相似，但潜在动力学难以对齐的网络对。进一步反向工程这些网络权重发现，动力学的差异源于底层环络连接性的变化，表现为权重变化方差和维度的增加。这证明潜在动力学的保存并非行为相似的平凡结果，而是反映了底层回路实施中的基本组织与约束。

皮层下脑区的动力保存性检验 为验证该现象是否局限于运动皮层，研究者分析了小鼠背外侧纹状体（dorsolateral striatum）这一进化上更古老、且不直接投射到脊髓的基底节结构的神经群体记录。结果发现，在执行相同任务的小鼠纹状体中，同样存在保存的跨个体潜在动力学，其跨动物相关性和行为解码性能与运动皮层的结果相当，证明这一特性在大脑中广泛存在。

内隐行为的动力保存性检验 研究者进一步分析了猴子在运动规划期间（内隐行为）的运动皮层活动。结果显示，在指令延迟期的潜在动力学跨动物高度相关，且与该动物外显伸手行为时的动力学几乎相同。更重要的是，基于对齐后的动力学训练的贝叶斯分类器能够从一个猴子泛化到另一个猴子，准确预测其计划伸手的目标。这表明不同个体不仅使用保存的动力学执行相同动作，也用于执行相同的内隐心理过程。

研究发现与结论

本研究通过一系列精巧的实验揭示了同一物种的个体在执行相同行为时，其神经群体的潜在动力学具有令人惊讶的保存性。这一现象在灵长类（猴）和啮齿类（小鼠）两个进化上迥异的物种、在运动皮层和背外侧纹状体两个不同的脑区、以及在外显运动和内隐运动规划两种状态下均得到验证。研究证明，这种跨个体的动力学保存性与行为输出的相似性直接相关，但行为相似性本身并不足以导致动力学的保存，它很可能源自于物种进化过程中对大脑发育施加的约束，从而反映了行为神经基础的基本特性。

研究价值与意义

该发现具有重要的科学和应用价值。在基础科学层面，它为“潜在动力学是行为和认知功能的首要解释者”这一观点提供了有力支持，并指出了基因编码的发育程序可能通过提供一个“生成模型”，约束神经回路以产生适当的行为。在应用层面，这一发现对神经义肢等脑控装置的开发具有革命性影响：通过适当的对齐方法，为一个受试者训练的解码器可以快速迁移给其他个体，从而最大限度地减少训练和部署时间，为脑机接口技术提供了新的思路。