心理所研究揭示人類運動節律的皮層追蹤及神經編碼機制

　　廣場舞簡單又不斷重復的節律傳遞著一種神奇魔力，讓人忍不住隨著他人的舞蹈動作打拍，即便是靜默無聲的身體動作也傳遞著這種力量。近年來，居家鍛煉的熱潮讓健身視頻火遍全網，視頻中教練們的揮舞跳躍就像節拍器一樣讓屏幕前的你感受到強烈的律動。一個有趣的問題是：大腦是如何讀取人類肢體運動中的節律信息并編碼其中的生物特性呢？

　　腦與認知科學國家重點實驗室蔣毅研究組的研究人員借助腦電技術探索了人腦如何基于肢體運動中的節律特征實現對生物運動的特異性動態神經編碼（圖1）。實驗記錄了人類被試在觀看行走（walk）或開合跳（jump）運動時的腦活動。這些刺激都包含了層級性的節律結構，表現為相對基礎和相對高階的運動周期。以行走為例，行走的每一步構成了基礎的腳步周期（step cycle），而左右腳的交替運動則形成了高階的步態周期（gait cycle），后者提供了前者所不具有的關于左右兩側肢體運動相位關系的信息。

圖1. 生物運動中的層級節律結構及其動態神經編碼研究概覽

　　實驗結果發現受試者大腦皮層中的神經振蕩通過同步化活動追蹤了生物運動刺激中不同層級的節律結構特征，表現為相關頻率上神經振蕩能量的增強(如gait-cycle frequency: 1 Hz和step-cycle frequency: 2 Hz 上的power peak)。更重要的是，對高階周期結構的追蹤表現出了生物運動加工的特異性，即對正立（Upright）生物運動刺激的追蹤強度顯著大于對倒立（Inverted）刺激的追蹤強度，而倒立在很大程度上破壞了生物運動特有的動力學特征。上述結果在不同的運動類型和任務要求下都穩定出現（圖2）。進一步分析發現，這種生物特異性的皮層追蹤與個體對生物運動的知覺敏感性顯著相關，且該現象主要集中在參與生物運動特異性加工的右側顳葉電極。

圖2. 大腦皮層的神經活動追蹤了生物運動中不同層級的節律結構，對高階周期結構而非基本周期結構的皮層追蹤表征了特異于生物運動的動態神經編碼

　　節律結構的提取依賴于對運動信息在時間和空間上的累積。該研究進一步利用計算建模方法評估了兩種潛在的時空信息累積編碼機制（圖3上）對上述生物運動特異性皮層追蹤過程的貢獻。模型擬合結果（圖3下）表明，大腦對“整合信號”（來自于對側肢體的對立運動）的追蹤，而非對“加和信號”（來自于不同關節運動的線性疊加）的追蹤，驅動了生物運動特異性的神經編碼。

圖3. 視覺生物運動加工的時空信息累積編碼模型

　　綜上，該研究揭示了基于人類運動中節律性動力學特征的皮層追蹤現象及其時空編碼機制，該機制為生物運動信息的時空整合和分割提供了時間框架，并有助于大腦對生物運動關鍵動態信息的提取和知覺。此外，該研究發現的層級性皮層追蹤效應與語言和音樂研究的結果具有一定的相似性，為回答人類認知神經系統如何加工這些復雜而有意義的動態信息提供了啟示。人類能產生并接收有節律的動作和聲音。在面對這些信息時，大腦可能利用節律性的神經活動編碼提取刺激節律結構中的統計規律和關鍵特征，構建相應的動態知覺表征，從而為個體有效理解他人行為并進行互動奠定了基礎。

　　該研究獲得科技創新2030“腦科學與類腦研究”重大項目、國家自然科學基金、中國科學院先導專項、前沿科學重點研究項目、中科院青年創新促進會等的支持。

　　相關成果已發表于NeuroImage。中國科學院心理研究所博士研究生申莉為論文第一作者；中國科學院心理研究所副研究員王瑩為通訊作者。

　　論文信息：

　　Shen, L., Lu, X., Yuan, X., Hu, R., Wang, Y. & Jiang, Y. (2023). Cortical encoding of rhythmic kinematic structures in biological motion. NeuroImage, 268, 119893. https://doi.org/10.1016/j.neuroimage.2023.119893

　　課題組相關論文信息：

　　Yuan, P., Hu, R., Zhang, X., Wang, Y., & Jiang, Y. (2021). Cortical entrainment to hierarchical contextual rhythms recomposes dynamic attending in visual perception. eLife, 10, e65118. https://doi.org/10.7554/eLife.65118