光学脑机接口揭示后顶叶皮层在目标导向导航中的因果作用

研究人员通过开发基于钙成像的光学脑机接口（BMI），探究了小鼠后顶叶皮层（PPC）在虚拟现实导航中的因果作用。研究发现，PPC神经元活动可直接驱动导航行为，无需学习或适应BMI，表明PPC天然活动模式足以实时控制目标导向运动。这一成果为理解皮层回路与行为的因果关系提供了新方法，并揭示了PPC在导航计划中的核心功能。

　　

在探索大脑如何控制复杂行为的过程中，后顶叶皮层（Posterior Parietal Cortex, PPC）一直被视为整合感觉、运动和认知信号的关键枢纽。然而，由于神经活动与行为之间存在闭环交互，传统研究方法难以明确PPC活动是驱动行为还是仅反映行为状态。这一"因果性困境"长期阻碍了对PPC功能的深入理解。

哈佛医学院（Harvard Medical School）和剑桥大学（University of Cambridge）的研究团队在《Cell Reports》发表的研究中，创新性地开发了全光学脑机接口（BMI）系统，通过实时解码PPC神经元活动，直接控制小鼠在虚拟现实（VR）迷宫中的导航行为。这项研究不仅证实了PPC在导航中的因果作用，还发现PPC活动包含独立于实际运动的"预期轨迹"信号，为理解大脑如何规划目标导向行为提供了新视角。

研究采用了几项关键技术：1）双光子钙成像实时记录PPC神经元活动；2）虚拟现实行为范式训练小鼠完成T迷宫导航任务；3）基于像素的线性解码器将神经活动转化为导航控制信号；4）闭环BMI系统实现神经活动对虚拟环境的直接控制。通过对比球控制（物理运动控制）和BMI控制（神经活动控制）下的行为表现，研究团队获得了关键发现。

An optical BMI allows mice to navigate in VR

研究人员首先验证了从PPC活动解码导航参数的可行性。线性回归模型能够准确预测虚拟位置（R²=0.91±0.01）、前进速度（R²=0.67±0.03）和航向角（R²=0.69±0.06）。值得注意的是，全帧图像解码优于基于ROI的方法，表明神经纤维信号对行为预测具有贡献。

Mice reliably navigate to goal locations in virtual environments using the BMI

当切换至BMI控制时，小鼠无需学习即可完成导航任务，正确率显著高于随机水平（p=0.0013）。尤为关键的是，BMI首10次尝试的表现与后续试验无差异，表明PPC天然活动模式足以驱动导航。这种即时控制能力排除了通过神经可塑性适应BMI的可能性，强有力地支持了PPC活动具有行为驱动作用。

Running trajectories differ between ball and BMI trials

深入分析发现，BMI控制下的虚拟轨迹与物理运动存在明显解耦。支持向量机（SVM）能准确区分球控制与BMI试验的旋转速度模式（所有空间分箱p<0.05），表明小鼠并非重复刻板运动。在某些BMI试验中，尽管小鼠持续单向旋转球体，解码器仍能生成正确的目标导向路径，证实PPC活动包含独立于即时运动的导航信号。

Mice attempt corrective running for heading deviations during BMI trials

当BMI输出偏离预期航向时，小鼠会产生物理纠正动作。这些纠正动作与标准化航向偏差显著相关（r=0.48,p=1.22×10^-11），但解码器输出的航向修正较弱。这一发现表明，PPC同时编码实际运动反应和预期航向信号，二者可通过不同解码权重分离。

Distinct PPC activity for navigational turning and heading

对纠正运动期间神经活动的分析显示，PPC种群活动显著增强（r=0.23±0.05,p_boot<0.001）。值得注意的是，航向解码器与角速度解码器的权重向量相似性极低（cosine相似度=0.026±0.01），证实PPC中存在功能分离的神经群体分别编码运动执行和导航计划。

BMI trials have elevated PPC activity levels

BMI控制引起PPC活动整体增强（79±5%神经元活性增加），但噪声相关性保持稳定，表明这是网络状态改变而非环路重组。线性模型分析显示，神经元的位置调谐变化大于速度调谐变化，进一步支持PPC在BMI环境下优先维持运动相关信号的稳定性。

这项研究通过创新的光学BMI技术，首次证实PPC天然神经活动足以实时驱动复杂导航行为，无需依赖学习或适应性改变。其核心发现在于揭示了PPC中存在功能独立的神经编码：一组编码实际运动执行，另一组编码预期航向计划。这种并行处理机制解释了为何BMI控制下小鼠能同时产生物理纠正动作和维持正确导航路径。

研究的重要意义体现在三个方面：方法学上，开发了研究神经-行为因果关系的BMI新范式；理论上，阐明了PPC在目标导向行为中的双重编码机制；应用上，为脑机接口设计提供了新思路——固定解码器可稳定控制复杂行为数天，这对临床BMI开发具有启示价值。该成果也为理解其他皮层区域的功能架构提供了可推广的研究框架。