Science: 首次完成灵长类动物在自由活动环境中自然行为神经编码

摘要：数十年来，关于灵长类动物大脑皮层运动系统的研究一直依赖于非人灵长类动物模型，因为它们与人类具有显著的解剖学同源性。灵长类动物（包括人类）的大脑如何组织和控制自然行为一直是神经科学研究的核心问题之一。以往研究的一个共同特点是基于限制性环境，这些猴子坐在灵长类动物

数十年来，关于灵长类动物大脑皮层运动系统的研究一直依赖于非人灵长类动物模型，因为它们与人类具有显著的解剖学同源性。灵长类动物（包括人类）的大脑如何组织和控制自然行为一直是神经科学研究的核心问题之一。以往研究的一个共同特点是基于限制性环境，这些猴子坐在灵长类动物椅上，头部被固定。在记录单个神经元活动时，猴子被训练以高度可重复且通常是刻板的方式执行正式的运动任务，其一般假设是这些发现可以推广到解释大脑如何在不受限制的情境中控制自然行为。

可以想像，真正自由活动环境中的复杂性一定会使神经行为更加复杂。毫无疑问，自然行为的复杂性也增加了研究的难度。尽管已经有了一些在自由活动的小型哺乳动物中进行神经元记录，但在猕猴中进行自由活动的研究并没有广泛开展，主要是由于有线记录技术的限制。

为了填补这一技术空白，2025年1月，意大利帕尔马大学Luca Bonini实验室在Science发表文章：Neuroethology of natural actions in freely moving monkeys。在本研究中，他们开发了一种神经行为学平台，能够让灵长类动物在限制性环境和自由活动环境中无线记录相同的前运动皮层神经元的活动，以揭示自然行为的神经基础。

1. 行为平台的建立

研究者训练了两只猕猴，使其能够在实验室内自由活动，并在一个名为NeuroEthoRoom（NER）的房间内进行实验。实验分为2个步骤：首先，猕猴坐在NER中心的灵长类动物椅上，头部固定，进行经典的限制性实验（RC）；随后，在同一环境，猕猴在NER内自由探索，房间内布置了多种物品以诱发自然行为（自由活动环境，FMC）。研究者通过八个摄像头以50Hz的分辨率同步记录猕猴的行为，并使用成熟的动物行为编码软件对前肢、面部和/或口腔动作进行高精度编码。神经元活动通过植入猕猴前中央回的128个电极记录，共记录了424个单个神经元。

图1:NER房间，左图为经典的限制性实验（RC），右图为自由活动环境（FMC）

2. 限制性实验和自由活动环境中的神经元活动差异

研究显示，自由活动与限制性环境中神经元活动存在显著差异。自由活动环境中，神经元放电模式更复杂且变异性更大，80.9%的神经元对至少一个动作有显著调制，其中79.9%表现出混合选择性，能够灵活编码多种自然行为。涉及相同效应器的动作神经反应相似性更高，而复杂全身动作的分离度更大，提示轴向近端运动成分在行为编码中的重要性。

通过SVM分类器，研究者可准确解码自由活动中的自然行为，解码准确性在动作对齐点及其稍后位置最高，可能与本体感觉和触觉反馈的峰值有关。此外，只有少数神经元（15.9%到21.7%）在两种环境中的放电模式保持一致，大多数神经元的活动模式因环境而异。这些结果表明，神经元的动作编码强烈依赖于环境，挑战了将限制性环境中的发现直接推广到自由活动环境的可能性。

图2:自然活动中的神经元记录

3. 跨环境自然行为的神经读出

研究者通过支持向量机（SVM）分类器测试了单个神经元和神经元群体活动对两种环境中出现的四种动作（喝水、咬东西以及用同侧和对侧手抓取食物）的解码能力。结果显示，SVM在限制性环境和自由活动环境中均能以较高准确率解码这些动作，表明两种环境间存在共享的神经信息。然而，跨环境解码的准确率低于单一环境内的解码，但仍显著高于随机水平。可以特别指出的是，SVM在自由活动环境数据上训练、在限制性环境数据上测试时，解码性能优于相反方向的解码。

进一步通过t-SNE技术对神经数据进行降维可视化发现，自由活动环境中的动作表征更为分散且相互交织，而限制性环境中的动作表征则更加清晰且聚集。这表明自由活动环境中的神经活动不仅更丰富，还更具普遍性，支持了在更自然的情境中研究动作计划和控制的神经机制的相关性和价值。