灵长类额叶皮层中动作符号的神经表征

智能的一个标志是能够熟练解决新问题，包括那些与先前所见问题显著不同的问题。问题解决反过来依赖于目标导向的新想法和行为的产生，这被认为涉及离散单元（或符号）的内部表征，这些表征可以重组为众多可能的复合表征。尽管这一观点在行为的认知层面解释中很有影响力，但关于符号的神经元基质的决定性证据仍然难以获得。在此，研究人员确定了一个神经群体，该群体编码动作符号（即运动行为离散单元的可重组表征），且其定位于额叶皮层的特定区域。在猕猴执行一项类似绘画的任务以评估将学习到的动作符号重组为新序列的过程中，研究人员发现了行为证据，表明动作元素（笔画）表现出三个关键特征，指示了潜在的符号表征：（1）对低水平运动参数的不变性；（2）类别结构，反映离散的动作类型；以及（3）重组为新的序列。基于运动皮层、前运动皮层和前额叶皮层共8个区域的同时神经记录，研究人员发现腹侧前运动皮层（PMv）中与计划相关的群体活动以一种反映不变性、类别结构和重组的方式编码计划动作，这与行为表现一致，这三个属性指示了一种符号表征。在所记录的其他区域中，没有哪个区域表现出这一属性组合。这些发现揭示了定位于PMv的动作符号的神经表征，并因此确定了符号认知操作的假定神经基质。

论文解读：灵长类额叶皮层中动作符号的神经表征

智能的核心能力之一在于解决新问题，尤其是那些与过往经验显著不同的问题。这种问题解决能力依赖于目标导向的新想法与行为的生成，而在认知科学中，一个具有影响力的假设认为，这背后涉及内部对离散单元（即符号）的表征，这些符号能够被重组为多种复合表征，从而实现组合泛化（compositional generalization）。尽管该假设在解释行为层面认知时非常重要，但长期以来，神经科学领域缺乏决定性的证据来证明符号是否具有相应的神经元基质，即人们并不清楚大脑中究竟是否存在、以及何处存在能够编码此类符号的神经网络活动。

为此，研究人员开展了一项在《Nature》发表的重要研究，旨在通过神经生理学与行为学实验，寻找并确认动作符号（action symbols，即可重组的运动行为离散单元的表征）在灵长类动物大脑中的神经基础。研究由洛克菲勒大学Winrich A. Freiwald团队完成，他们以两只成年雄性猕猴（Macaca mulatta）为研究对象，设计了一套类似绘画的触摸屏绘图任务，并在猕猴额叶皮层8个不同区域（包括初级运动皮层M1、背侧前运动皮层PMd、腹侧前运动皮层PMv、辅助运动区SMA与preSMA、背外侧前额叶皮层dlPFC、腹外侧前额叶皮层vlPFC以及额极FP）同时进行了多通道微电极阵列神经记录。

为开展研究，研究人员主要采用了以下几个关键技术方法：一是建立绘图类行为范式，训练猕猴在触摸屏上通过轨迹描画不同几何形状，并根据描画准确度给予液体奖励；二是设计三类核心行为测试，分别用于检验动作元素的运动不变性（改变形状位置与大小）、类别结构（呈现两个熟练形状之间的形态连续体/变形刺激）以及重组能力（使用由多个简单形状构成的复杂“字符”图形）；三是利用植入式的32通道浮动微电极阵列（FMA）在额叶8个靶区同步记录神经元放电活动；四是通过构建神经距离（neural distance）度量、线性解码分析、主成分分析（PCA）与动态时间规整（DTW）等计算神经科学方法，对群体神经活动的编码属性进行量化。

研究结果如下：

首先，在“绘图类任务中习得的笔画基元（Learned stroke primitives in a drawing-like task）”部分，研究人员发现猕猴在经过训练后，会对每一种几何形状形成稳定且特异的“笔画基元”（primitive），即各自习惯性的单笔画轨迹；不同形状对应不同基元，不同猕猴的基元也具有个体特异性。

其次，在“基元表现出对位置和大小的运动不变性（Primitives exhibit motor invariance over location and size）”部分，通过改变目标形状在屏幕上的位置与尺寸，研究人员发现猕猴的笔画轨迹在不同位置与大小条件下仍保持高度相似，表明这些动作基元具有对低层次运动参数（如绝对空间位置、缩放比例）的不变性（motor invariance）。

第三，在“基元表现出类别结构（Primitives exhibit categorical structure）”部分，当研究人员向猕猴呈现两个已熟练形状之间连续变形的中间刺激（morph）时，猕猴的描画行为并不是连续线性地追踪变形，而是表现出明显的类别边界：在某一变形程度下，描画会突然从近似于形状A的基元跳变为近似于形状B的基元，且在边界条件上存在试次间变异（trial-by-trial switching）。这证明动作基元具有类别结构（categorical structure），即离散的动作类型表征。

第四，在“基元被重组为序列（Primitives are recombined into sequences）”部分，当猕猴需要描画由多个简单形状组合而成的复杂字符时，研究人员发现猕猴并非采用单一连续轨迹，而是将字符分解为多个笔画，并且绝大多数笔画可匹配到其已有的单个形状基元库（>74%甚至>82%），且更匹配自身的基元而非另一只猕猴的基元；进一步控制分析表明，这种匹配不是基于轨迹子段简单拼接的“混拼”所能解释的。这说明猕猴通过将习得的动作符号重组来应对新图形，即实现了重组（recombination）。

第五，在“额叶皮层多区域神经记录（Multiarea recordings across the frontal cortex）”部分，研究人员在8个额叶区域同步记录神经元活动，发现所有区域（除额极FP外）均存在与任务相关的神经响应，但不同区域在图像呈现、计划期与运动期的活动模式存在差异；随后分析聚焦PMv是否同时具备上述三种符号属性。

第六，在“PMv中基元的运动不变性编码（Motor-invariant encoding of primitives in PMv）”部分，研究人员发现在计划期，PMv的群体神经活动主要随“计划执行的基元类型”而变化，而对起始位置（location）与大小（size）的变化相对不敏感；解码分析也显示，在PMv训练的位置解码器可较好推广至其他位置。相比之下，dlPFC等其他区域则更多编码位置信息。初始到达运动阶段与计划期的大小不变性同样在PMv中被观察到。

第七，在“PMv中基元的类别编码（Categorical encoding of stroke primitives in PMv）”部分，在变形刺激实验中，PMv计划期群体活动在神经状态空间中也表现出与行为一致的类别边界与试次间状态跳跃：对于模糊变形刺激，神经轨迹会根据猕猴即将描画的基元分别趋向代表两个熟练基元的状态。神经距离的量化与基元对齐分数（primitive alignment）显示，PMv的类别结构编码强于其他记录区域。

第八，在“PMv反映基元重组为序列（Recombination of primitives is reflected in PMv）”部分，研究人员比较了同一基元在单形状任务与多笔画字符任务（取笔画起始前时间窗）中的神经活动，发现PMv的群体活动模式在不同任务类型间仍保持相似，即计划某一基元时的神经状态会在不同序列语境中重复出现；而preSMA等序列相关区域则表现出更强的任务类型差异。这表明PMv对动作符号的编码具有重组属性。

第九，在“PMv活动可脱离视觉与运动参数（PMv activity dissociates from visual and motor parameters）”部分，研究人员通过多形状任务（同时看到多个形状但只画其中一个）与运动学线性编码模型分析发现，PMv计划期活动更倾向于编码“计划动作”本身，而非当前看到的视觉形状，且未发现PMv存在可跨基元泛化的通用运动速度编码（不同于M1）。这提示PMv的动作符号表征具有抽象性。

在讨论部分，研究人员总结认为，动作符号的表征需同时满足不变性、类别结构与重组三项性质，而本研究在行为学与神经生理学上均提供了证据，并且神经层面上这三项性质在腹侧前运动皮层（PMv）的规划相关群体活动中同时成立，而其他记录区域未同时具备此组合属性，因此PMv是动作符号神经表征的关键区位，也可能是符号认知操作的假定神经基质。该发现出乎预期，因为过去更多抽象变量编码证据集中在前额叶皮层（PFC）与内侧颞叶，而本研究提示当复杂且习得的运动细节本身成为成功关键时，PMv在 skilled movement 的抽象表征中具有特殊作用。讨论还指出，PMv接收到来自背侧与腹侧视觉通路及前额叶的输入，并与M1、脊髓、preSMA等相连，处于运动-认知-感觉回路的交汇点；其离散状态间的竞争（如winner-takes-all）可能支撑类别选择与符号操作。最后，讨论提出此类动作符号框架可帮助桥接符号-规则理论与神经网络/动力学系统理论，并为未来在PMv及相连脑区中寻找符号程序（symbolic programs）相关神经活动提供方向。

研究结论可归纳为：研究人员通过在猕猴上结合绘图类组合泛化任务与额叶多区域神经记录，提供了动作符号（可重组的运动行为离散单元表征）及其三项核心属性（运动不变性、类别结构、重组）的行为与神经生理证据；这些证据集中指向腹侧前运动皮层（PMv）的规划相关神经群体活动，因而确定了PMv中动作符号的神经表征，并提出了符号认知操作的潜在神经基质。