有没有想过约翰·柯特兰(John Coltrane)在他的专辑《巨人的台阶》(Giant Steps)中演奏著名的独奏时脑中发生了什么?日本国立信息与通信技术研究所(NICT)和加拿大西部大学的研究人员已经成功地可视化了在熟练的手指运动过程中如何在人的大脑皮层的广泛区域表示信息。

与通常的假设相反，研究人员发现前运动皮层和顶叶皮层中的重叠区域代表了运动层次的多个级别中的序列(例如，几个手指运动的块或几个块的块)，而单个手指的运动(即层次结构中的最低级别)在主运动皮层中唯一表示。这些结果揭示了人脑中皮层序列表示的第一张详细图。这些结果也可能为确定新的候选大脑区域作为运动BCI应用的信号源或开发更复杂的算法以重建复杂的运动行为提供一些线索。

结果于2019年7月22日在Yokoi和Diedrichsen在线发表于《神经元中的人类新大脑皮层的分层运动序列表示的神经组织》。

记住/产生长而复杂的运动序列的最好方法是将它们递归地分成几个较小的部分。例如，音乐作品可以被记住为一系列较小的块，每个块代表一组经常同时出现的音符。长期以来，人们一直认为这种分层组织是我们对运动序列的控制的基础，这些运动序列从演奏技巧之类的高技巧动作到一杯茶之类的日常行为。然而，人们对如何在我们的大脑中实现这些层次结构知之甚少。

NICT信息与神经网络中心(CiNet)的Atsushi Yokoi和西部大学脑与精神研究所的JörnDiedrichsen在发表在Neuron杂志上的一项新研究中，提供了第一个直接证据证明如何代表层次结构化的序列通过整个人类大脑皮层的种群活动。

研究人员测量了细粒度的fMRI活动模式，而人类参与者产生了8种不同的记忆序列，包括11个手指按压。该研究的资深作者，加拿大西部大学电机控制和计算神经科学的西方研究主席Diedrichsen说：“记住11个手指按压的8个不同序列是一项艰巨的任务，因此，您肯定需要对它们进行分层组织。”该研究的主要作者，曾任Diedrichsen研究小组的博士后的Yokoi补充说：“要研究等级制度，您确实需要序列具有如此高的复杂性。目前，很难训练动物来学习此类序列。”因为两个人都在英国伦敦大学学院认知神经科学研究所，

通过一系列仔细的行为分析，研究人员可以证明，参与者使用三级层次结构编码了序列。(1)单个手指按下，(2)由两个或三个手指按下组成的块，以及(3)由四个块组成的整个序列。然后，他们可以使用机器学习技术针对这些层次结构来表征fMRI活动模式。

不出所料，主运动皮层中控制手指运动的区域的模式似乎仅取决于每个手指的移动，而与手指在序列中的位置无关。显然可以显示出高阶运动区域(例如运动前和顶叶皮层)中的活动可以在块或整个序列的水平上编码顺序上下文。因此，与初级运动皮层相反，这些区域“知道”正在进行的手指按压之前播放过的内容以及之后播放的内容。

该研究现在首次允许对这些高阶表示的组织进行洞察。令人惊讶的是，不同级别的序列信息有很大的重叠。无监督的聚类方法将这些区域进一步细分为不同的聚类，每个聚类具有不同的表示混合比例，就像使用iPhone的存储方式一样。这些结果揭示了人脑中皮层序列表示的第一张详细图。

认知神经科学中的一个常见假设是，功能层次中的每个级别都将反映解剖层次，从较高的关联皮层(例如前运动皮层或顶叶皮层)到初级感觉运动皮层。清晰的解剖分离(即，各个手指相对于其他表示)和重叠(即，块与序列表示)的神秘共存，为功能和解剖层次之间的对应关系的经典问题提供了新的思路。“可以说大脑以部分层次但部分平坦的方式代表运动序列。”

Yokoi总结说：“尽管其功能作用仍不清楚，但大块和序列表示之间的解剖学重叠可能表明，上运动层次中的这些表示可能相互影响以支持灵活的序列产生。这需要在未来的研究中进行检验。”