在體多通道神經信號采集系統助力動物相似行為的神經動力學機制研究
同一物種的動物表現出相似行為，這些行為有利于適應它們的身體和環境。然而，目前尚不清楚這些常見的行為適應是如何從神經回路中出現的。
神經回路的整體組織在個體之間得以保留是因為他們共同的進化發育計劃。這種回路級別的組織可能會限制神經活動，導致整個神經種群的低維潛在動力學。
因此，本文提出一個物種內共享的回路級約束將導致個體之間適當保留潛在動力學。本文通過Cerebus在體多通道神經信號采集系統（Blackrock Microsystems）記錄了來自猴子和小鼠運動皮層的神經種群活動，以證明當來自同一物種的個體執行相似行為時，它們的神經動力學出奇地保留了下來。
圖 1：假設。
研究員們使用猴子和小鼠在執行上肢任務時的神經種群記錄測試了上述四個預測。首先，他們分析了參與 8 個目標的定向延遲中心外伸任務的猴子的運動皮層記錄。
圖 2：執行相同行為的動物之間保留的潛在動態。
接下來為了確定保留的潛在動態不僅僅反映拓撲結構，研究員們測試了這種拓撲結構是否足以產生保留的潛在動態，并發現個體之間的保留受到顯著損害。
圖 3：在行為復雜性較高的順序到達任務中保留的潛在動態。
鑒于運動皮層是產生運動的脊髓回路的主要皮層輸出，運動皮層潛在動力學和行為輸出之間的密切對應可能是該區域的結構和投射的獨特結果。為了測試整個大腦中是否存在保留的潛在動力，研究員們研究了基底神經節的皮層下核，它不直接投射到脊髓，但對行為的各個方面都至關重要。
圖 4：基底神經節和隱蔽行為期間保留的潛在動態。
最后研究員們認為要求行為相似性是必要的，但不足以允許潛在動態的對齊。為了測試這一點，研究員們訓練了遞歸神經網絡 （RNN） 以產生相似的行為輸出，同時生成不同的潛在動態。他們設計了一個 RNN 模擬，通過改變成本函數的參數來控制潛在動態的保留程度α。
圖 5：類似的行為輸出對于保持潛在動態是必要的。
綜上所述，當動物有意識地計劃未來的運動而沒有明顯的行為時，神經種群動力學被保留了下來，并能夠解碼不同個體之間的運動。此外，本文還發現保存的神經動力學延伸到皮質區域之外，延伸到背側紋狀體，這是一種進化上更古老的結構。最后，研究員們使用神經網絡模型來證明行為相似性對于這種保留是必要但不充分的。
原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41586-023-06714-0
