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大脑神经群体活动的时间进程与多种功能紧密相关，但它是否受特定约束尚不明确。为此，研究人员借助脑机接口（BCI），对恒河猴运动皮层的神经群体活动展开研究。结果发现，其活动时间进程难以改变。这一成果为大脑计算机制研究提供了关键证据。
在大脑的奇妙世界里，神经活动就像一场神秘的舞蹈，它随时间的变化方式一直是科学家们关注的焦点。长久以来，人们知道神经群体活动的时间演变（即神经动力学）对感觉、运动和认知功能至关重要。比如，在做决策时，神经活动可能会汇聚到特定的吸引子；回忆往事时，神经活动又会放松到某个吸引子状态。然而，一个关键问题一直困扰着研究者：神经群体活动在多大程度上会遵循特定的时间进程，还是可以随意改变呢？如果把大脑比作一个精密的仪器，那么神经活动的时间进程就像是仪器内部的齿轮运转，如果这个运转可以随意改变，那大脑的功能可能就会陷入混乱。所以，搞清楚神经群体活动时间进程的约束情况，对理解大脑的工作机制意义重大。
为了探索这个问题，来自美国匹兹堡大学（University of Pittsburgh）、卡内基梅隆大学（Carnegie Mellon University）等机构的研究人员展开了深入研究。他们的研究成果发表在《Nature Neuroscience》杂志上，为该领域带来了新的突破。
研究人员运用了多种关键技术方法。首先是脑机接口（BCI）技术，通过这个技术，他们可以实时获取猴子神经活动的信息，并给予猴子视觉反馈，让猴子尝试改变自身的神经活动。其次，他们使用了高斯过程因子分析（GPFA），将记录到的高维神经活动转化为低维的潜在状态，以便更好地分析神经轨迹。此外，研究中还涉及到多电极阵列植入技术，用于记录猴子运动皮层的神经活动。
研究结果
- 神经轨迹的灵活性测试：研究人员记录了三只恒河猴运动皮层约 90 个神经单元的活动，并将其转化为二维光标位置，让猴子执行不同的任务。在 MoveInt 映射下，猴子看似能灵活移动光标，但在 SepMax 映射中，研究人员发现神经轨迹存在方向依赖的路径，这表明神经活动并非随意产生。例如，在不同的二维投影中，猴子从目标 A 到目标 B 和从目标 B 到目标 A 的神经轨迹在 SepMax 投影中明显不同，而在 MoveInt 投影中则有重叠。这说明，虽然在某些投影中神经活动看似灵活，但在更高维度空间中其实受到限制。
- 挑战神经活动时间进程：研究人员通过一系列实验挑战猴子改变神经活动的时间进程。在第一个实验中，给猴子 SepMax 投影的视觉反馈，观察其神经轨迹变化。结果发现，猴子的光标轨迹依然保持方向依赖的路径，没有因为反馈而改变，这表明神经活动时间进程具有很强的稳定性。在第二个实验中，研究人员让猴子尝试产生时间反转的神经轨迹，猴子并没有成功，而是依然遵循自然的神经轨迹，这进一步证明了神经活动时间进程难以被改变。在第三个实验中，研究人员设置了更严格的任务，通过缩小视觉边界，迫使猴子产生时间反转的神经轨迹。但即便如此，猴子也只是极少地修改了轨迹，大部分情况下还是遵循自然的流动方向。这一系列实验结果都表明，神经群体活动的时间进程受到强大的约束，很难被改变。
研究结论与讨论
综合上述研究结果，研究人员得出结论：神经群体活动的时间进程反映了潜在的网络约束，这些约束很难被违反。这一发现意义重大，它为神经动力学的研究提供了实证支持，表明大脑中观察到的神经活动时间进程并非偶然，而是与网络层面的计算机制密切相关。
从进化的角度来看，大脑形成这样稳定的神经活动时间进程可能是为了保证各种功能的正常运行。如果神经活动可以随意改变，那么大脑在处理信息、控制运动等方面可能会出现混乱。例如，在运动控制中，稳定的神经活动时间进程能够确保肌肉协调运动，让我们顺利地完成各种动作。
此外，这项研究也展示了脑机接口在神经科学研究中的强大作用。通过脑机接口，研究人员可以直接对神经群体活动施加要求，这比传统的通过观察肢体运动间接研究神经活动更加直接和有效。同时，研究人员也考虑到了实验可能存在的局限性，比如猴子可能没有充分理解任务或者动力不足，但通过分析实验数据，他们认为这些因素并不能解释观察到的现象。
总之，这项研究为我们理解大脑神经群体活动的时间进程提供了重要的线索，为后续的神经科学研究奠定了基础，有望推动我们对大脑工作机制的进一步探索。
