¿Alguna vez se preguntó qué estaba pasando en el cerebro de John Coltrane cuando tocó el famoso solo en su álbum Giant Steps? Investigadores del Instituto Nacional de Tecnología de la Información y las Comunicaciones NICT, Japón, y Western University, Canadá, han tenido éxitoen visualizar cómo se representa la información en un área generalizada en la corteza cerebral humana durante una ejecución de secuencias de movimiento de dedos hábiles.
Contrariamente a la suposición común, los investigadores encontraron que las regiones superpuestas en las cortezas premotora y parietal representan las secuencias en múltiples niveles de la jerarquía motora p. Ej., Fragmentos de unos pocos movimientos de los dedos o fragmentos de unos pocos fragmentos, mientras que el individuolos movimientos de los dedos es decir, el nivel más bajo en la jerarquía se representaron de manera única en la corteza motora primaria. Estos resultados descubrieron el primer mapa detallado de la representación de la secuencia cortical en el cerebro humano. Los resultados también pueden proporcionar alguna pista para localizar nuevas áreas cerebrales candidatascomo fuentes de señal para la aplicación BCI del motor o para desarrollar un algoritmo más sofisticado para reconstruir el comportamiento motor complejo.
Los resultados se publicaron en línea como Yokoi y Diedrichsen "Organización neuronal de las representaciones jerárquicas de la secuencia motora en la neocorteza humana" en neurona el 22 de julio de 2019.
Logros
La mejor manera de recordar / producir secuencias motoras largas y complejas es dividirlas en varias piezas más pequeñas de forma recursiva. Por ejemplo, una pieza musical puede recordarse como una secuencia de fragmentos más pequeños, con cada fragmento representando un grupo denotas que ocurren. Se ha pensado durante mucho tiempo que tal organización jerárquica subyace a nuestro control de las secuencias motoras desde las acciones altamente hábiles, como tocar música, hasta el comportamiento diario, como hacer una taza de té. Sin embargo, se sabe muy poco sobre cómo se implementan estas jerarquíasen nuestro cerebro
En un nuevo estudio publicado en una revista neurona , Atsushi Yokoi, Centro de Información y Redes Neuronales CiNet, NICT, y Jörn Diedrichsen, Brain and Mind Institute, Western Univ., Proporcionan la primera evidencia directa de cómo las secuencias organizadas jerárquicamente se representan a través de la actividad de la población a través del ser humanocorteza cerebral.
Los investigadores midieron los patrones de actividad de IRMf de grano fino, mientras que los participantes humanos produjeron 8 secuencias recordadas diferentes de 11 dedos presionados. "Recordar 8 secuencias diferentes de 11 dedos es una tarea difícil, por lo que definitivamente necesitará organizarlos jerárquicamente,"dice Diedrichsen, autor principal del estudio y presidente de Western Research para el control del motor y la neurociencia computacional en la Western University, Canadá". Para estudiar una jerarquía, realmente necesitaría las secuencias para tener tanta complejidad. Y actualmente es muy difícilpara entrenar animales para que aprendan tales secuencias ", agregó Yokoi, autor principal del estudio y ex investigador postdoctoral en el grupo Diedrichsen, ya que ambos estaban en el Instituto de Neurociencia Cognitiva, University College London en el Reino Unido, y ahora investigador en CiNet,NICT, Japón.
A través de una serie de cuidadosos análisis de comportamiento, los investigadores pudieron demostrar que los participantes codificaron las secuencias en términos de una jerarquía de tres niveles; 1 presiones individuales de dedos, 2 trozos que consisten en dos o tres presiones de dedos, y 3 secuencias completas que consisten en cuatro fragmentos. Luego podrían caracterizar los patrones de actividad de fMRI con respecto a estas jerarquías utilizando técnicas de aprendizaje automático.
Como se esperaba, los patrones en la corteza motora primaria, el área que controla los movimientos de los dedos, parecían depender solo de cada dedo individual movido, independientemente de su posición en la secuencia. Actividad en áreas motoras de orden superior, como premotor y parietalse puede demostrar claramente que las cortezas codifican el contexto secuencial a nivel de fragmentos o de toda la secuencia. Por lo tanto, en contraste con la corteza motora primaria, estas áreas "saben" lo que se jugó antes y lo que viene después de presionar el dedo.
Por primera vez, el estudio ahora permitió obtener información sobre la organización de estas representaciones de orden superior. Sorprendentemente, los diferentes niveles de información de secuencia se superpusieron en gran medida. Un enfoque de agrupamiento no supervisado subdividió aún más estas áreas en distintos grupos, cada uno tenía una relación de mezcla diferente delas representaciones, tal como se usa el almacenamiento del iPhone. Estos resultados descubrieron el primer mapa detallado de la representación de la secuencia cortical en el cerebro humano.
Impacto del estudio
Una suposición común en la neurociencia cognitiva ha sido que cada nivel en la jerarquía funcional reflejaría la jerarquía anatómica, desde las cortezas de asociación superiores p. Ej., Cortezas premotoras o parietales hasta las cortezas sensoriomotoras primarias. La misteriosa coexistencia de unLa clara separación anatómica es decir, el dedo individual frente a otras representaciones y una superposición es decir, representaciones de fragmentos y secuencias arroja nueva luz sobre la cuestión clásica de la correspondencia entre las jerarquías funcionales y anatómicas ". Se puede decir que el cerebro representa secuencias motorasen parte jerárquica, pero en parte plana ".
"Aunque su función funcional aún no está clara, la superposición anatómica entre las representaciones de fragmentos y secuencias puede sugerir que estas representaciones en la jerarquía de movimiento superior pueden influir entre sí para respaldar la producción de secuencias flexibles. Esto debe ser probado en el futuro estudio", Yokoiconcluido
perspectivas futuras
El estudio también sugiere posibles loci a partir de los cuales podemos registrar la señal cerebral para controlar las prótesis neurales para crear secuencias de movimiento fluidas en posibles aplicaciones de BCI. Los investigadores también esperan que también pueda contribuir en el desarrollo de un nuevo algoritmo de decodificación que combine efectivamente la información endiferentes jerarquías para reproducir movimientos.
El estudio se realizó bajo una colaboración internacional entre NICT Japón, UCL Reino Unido y Western University Canadá.
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Materiales proporcionado por Instituto Nacional de Tecnología de Información y Comunicaciones NICT . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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