摘要
神经科学学界最关心的一大问题就是神经元如何通过动作电位（或脉冲信号）交流和传递信息。在感觉系统中，已有大量的研究表明：神经元可以通过精细的脉冲发放时间来编码外界信息。然而，在以频率编码主导的运动系统，特别是运动皮层，是否也能用精细的脉冲发放时间来编码信息和控制输出一直饱受争议。运动皮层不仅在解剖结构上具有丰富的循环连接，在功能上也表现出循环神经网络标志性的动力特征。而计算神经理论表明这种高度循环性可能会使网络容易进入混沌状态、对噪声的敏感度增加，进而破坏任何潜在的、用于编码的精细时间结构。因此，运动皮层似乎不适合采用时间编码方式来控制输出。 现有为数不多的关于运动皮层时间编码的研究受到两方面的局限：一方面，研究者仍沿用了频率编码中典型的静态表征视角来研究精细时间模式与变量之间的相关关系。然而不同于频率编码，精细时间模式存在很多种形式，各种时序特征都有可能携带信息。因此，如何提取参与编码的时序特征就成为了是否能揭示时间编码的关键，并在一定程度上提高了挖掘和揭示相关关系的难度。进一步地，这些基于相关性的编码研究还缺乏关于因果性的讨论，即这些运动皮层发现的时间编码是否能直接控制输出仍是未知；另一方面，部分基于鸟类的研究虽然也为运动皮层参与时间编码提供了证据，但其产生精细时间模式的模型不适用于哺乳类动物高度循环的运动皮层。因此，本研究针对上述局限，采用了全新的研究思路，即利用脑机接口，建立了精细时间模式与输出之间的因果性，证明了哺乳类动物运动皮层可以自主产生精细时间模式以控制输出。在此基础上，本研究还分析了在不同时间尺度下，运动皮层自主产生精细时间模式的网络神经动态，启发了对皮层自主产生精细时间模式机制的研究。进一步通过网络仿真，提出并验证了运动皮层能克服噪声并自主产生精细模式的关键在于直接神经元间有向性连接的增强和子网络（簇结构）的形成。除此之外，还在本文最后探究了运动皮层自主产生高效率时间模式的可能性。 本研究的主要创新点如下： 1.首次运用脑机接口技术来研究时间编码问题。设计了时序脑机接口解码器和训练范式，成功介导了大鼠的初级运动皮层自主且稳健地产生精细时间模式，证明了运动皮层利用时间编码控制输出的能力。 2.探究了运动皮层克服噪声，自主稳健产生精细时间模式的机制。通过研究神经元集群在学习和执行时序脑机接口任务中所表现出的多时间尺度动力学，以及仿真网络中神经连接与阈下活动的演变，揭示了运动皮层克服噪声、稳健产生精细时间模式的机制。 3.首次直接对神经模式的能量成本进行在体控制，并利用该方法首次证明了运动皮层可以利用高效率时间编码控制输出。设计了具有能量约束功能的时序脑机接口系统，并通过该脑机接口系统首次实现了在体控制神经发放的能量，证明了猕猴的初级运动皮层可以稳健地产生高效率的精细时间码，揭示了运动皮层利用高效率时间编码控制输出的能力。 综上所述，本文设计了全新的时序脑机接口系统，介导运动皮层自主、稳健、高效地产生了精细时间模式，证明了运动皮层具有利用时间编码来控制输出的能力。并通过网络的动力学和网络仿真探究了运动皮层产生精细时间模式的机制。本研究不仅为基础科学问题提供了新的证据和认识，且有望利用研究中的具体发现来设计更加安全有效的神经康复疗法以及更加高效的临床脑机接口系统。
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