《Nature Communications》：Evolution of object identity information in sensorimotor cortex throughout grasp
编辑推荐：
本研究探讨了在抓握过程中，当躯体感觉信号在接触物体前后发生剧烈状态改变时，大脑皮层如何维持对物体身份的识别。研究人员量化了猕猴初级运动皮层（M1）及躯体感觉区3a、3b/1和2区的神经元活动，发现尽管接触后各区域活动普遍下降，但整个感觉运动皮层的物体身份信息反而增加，尤其在纯皮肤感觉区3b/1和多模态区2。研究揭示了物体身份信息在感觉运动皮层中的复杂编码动态，对理解大脑如何处理动态感觉运动转换具有重要意义。
伸手抓取一个物体看起来是一个连续的过程，然而，躯体感觉信号在物体接触前后却经历了戏剧性的状态改变。就在手指触碰物体的那一刻，触觉传入纤维开始传递接触力，而持续的本体感觉信号也因为手形停止变化而发生改变。大脑皮层如何在不断变化、多模态的信号流中，始终“记得”自己正在抓握的是哪个物体？这一直是个未解之谜。为了解决这个问题，研究人员将目光投向了执行抓握动作的核心脑区——感觉运动皮层。
感觉运动皮层包括负责运动输出的初级运动皮层（M1）和负责感觉输入的初级躯体感觉皮层（S1）。S1又可细分为多个子区域，其中，接收深层躯体感觉（如关节位置、肌肉牵张）输入的3a区，主要接收皮肤触觉输入的3b/1区，以及整合皮肤触觉与深层躯体感觉的多模态区2区。抓握动作要求大脑在动作执行前、中、后期都能准确识别目标物体，以确保手形的精确塑造和力量的恰当控制。但在接触发生前后，输入的感觉信号性质发生了根本转变（从“预测性”的本体感觉为主，变为“现实性”的触觉力信号为主），皮层神经元活动也随之剧烈波动。在这股信息的湍流中，关于“物体身份”的稳定信息是如何被编码和维持的？这正是本篇发表在《Nature Communications》上的研究所要探究的核心。
为了深入剖析这一问题，研究人员在两只雄性猕猴身上开展了一系列精密的电生理记录实验。他们训练猕猴执行一个标准化的抓握任务：从多个不同形状、大小的物体中，根据视觉线索抓取指定的目标物体。在整个任务过程中——包括伸手、接触物体、握持和释放阶段——研究人员使用多通道电极阵列，同步记录了猕猴初级运动皮层（M1）、躯体感觉皮层3a区、3b/1区和2区大量单个神经元的活动。通过分析这些神经元群体的放电模式，他们量化了每个脑区在不同任务阶段所携带的、能够区分不同物体的“物体身份信息”。
通过这一系列电生理记录与信息解码分析，研究人员获得了几个关键的、有时是出人意料的发现。
接触前后神经元活动的普遍下降与信息量的意外提升。研究人员首先观察到，在手指接触物体后的瞬间，几乎所有记录区域（M1、3a、3b/1、2）的神经元整体活动水平都出现了下降。这一现象符合预期，因为主动的手形塑造在接触后基本停止。然而，令人惊讶的是，尽管神经元的“喧闹”程度降低了，但整个感觉运动皮层网络所携带的、能够区分不同物体的信息量却在接触后显著增加。这种“降噪增效”的现象，暗示大脑在接触后可能采用了更高效的信息编码策略。
感觉亚区对物体身份信息贡献的差异。研究人员进一步比较了不同躯体感觉亚区在信息编码中的作用。他们发现，在接触物体后，纯粹依赖皮肤感觉输入的3b/1区，其物体身份信息增加得最为显著。这合情合理，因为接触后，来自物体表面的纹理、形状细节等触觉信息变得至关重要。同样值得注意的是多模态整合区2区，它在接触后也表现出信息量的显著提升。由于2区同时接收皮肤触觉和深层躯体感觉输入，它可能在整合接触前后的多模态信息、构建稳定的物体表征方面扮演着关键角色。相比之下，主要处理深层躯体感觉的3a区，其信息量在接触前后变化不那么剧烈。
M1和3a区：贯穿抓握全过程的身份“信使”。在所有被研究的感觉运动皮层区域中，初级运动皮层（M1） 和躯体感觉3a区的表现独树一帜。研究发现，这两个区域的神经元活动在抓握的全过程（从伸手前到握持期）都持续携带显著的物体身份信息。这意味着，即使在没有直接触觉反馈的伸手阶段，M1和3a区就已经在编码即将抓取的物体信息了，这很可能基于视觉线索和运动计划。而在接触后，它们依然维持着这种信息。这凸显了M1不仅是一个运动指令输出中心，也是一个感觉信息整合与记忆维持的高级枢纽；而3a区则可能提供了贯穿始终的、与预期和实际手形相关的本体感觉参考框架。
编码策略在接触前后的根本性转变。研究最深刻的洞察之一，在于揭示了物体身份信息编码的动态性。研究人员通过分析发现，同一个脑区（特别是M1和3a区）在接触前和接触后，用来区分不同物体的神经活动模式（即“编码维度”）是不同的。换句话说，大脑并非简单地用一套固定的“神经密码”来代表一个物体。相反，它会根据任务阶段和可用的感觉模态（预期本体感觉 vs. 实际触觉），灵活地切换编码策略。这种编码策略的“重组”，是感觉运动系统能够适应动态环境、实现稳健物体识别的关键机制。
这项研究系统地描绘了在自然抓握行为中，感觉运动皮层网络动态编码物体身份信息的完整图景。其结论强调了几个重要意义：首先，物体身份的识别是一个全脑区参与、动态演化的过程，而非某个单一脑区的静态功能。其次，信息量的变化与神经元整体活动水平可以解耦，接触后活动的“沉寂”可能标志着信息处理进入了更高效、更特化的阶段。再者，多模态整合区（如2区）和具有持续信息保持能力的区域（如M1和3a） 是维持跨阶段物体身份一致性的关键节点。最后，编码策略的阶段性重组 是大脑应对感觉信号剧变、实现稳健感知运动控制的根本解决方案。这项研究不仅增进了我们对抓握这一基本行为背后神经机制的理解，也为未来开发更智能的脑机接口和假肢系统提供了重要的理论依据，即需要模拟这种动态的、多模态信息整合与编码转换的神经计算原理。
