脳はどのようにして体の位置と動きを感知するのか(How the brain senses body position and movement)

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2024-04-02 スイス連邦工科大学ローザンヌ校(EPFL)

新しい研究では、筋肉に埋め込まれた複雑なセンサーのネットワークが、四肢の位置と動きに関する情報を脳に伝え、私たちが自由に動けるようにする「プロプリオセプション」と呼ばれる感覚に焦点を当てています。この研究では、マッスルスパインドルの信号を上肢に生成し、大規模で自然な動作レパートリーのコレクションを訓練することで、プロプリオセプティブ情報の「脳のような」表現の発達を調査しました。これにより、我々の脳が分散型の筋肉スパインドル入力を統合し、体の動きと位置を理解するために最も効果的なニューラルネットワークモデルを訓練することを優先していることが示唆されました。

<関連情報>

課題駆動型ニューラルネットワークモデルが、プロプリオセプションの神経ダイナミクスを予測する Task-driven neural network models predict neural dynamics of proprioception

Alessandro Marin Vargas, Axel Bisi, Alberto S. Chiappa, Chris Versteeg, Lee E. Miller, Alexander Mathis
Cell  Published: March 21, 2024
DOI:https://doi.org/10.1016/j.cell.2024.02.036

Highlights

•We combine motion capture, biomechanics, and representation learning

•Computational task training is used to test hypotheses of proprioceptive coding

•Task-driven models predict neural activity better than linear and data-driven models

•Computational task performance correlates with neural explained variance

Summary

Proprioception tells the brain the state of the body based on distributed sensory neurons. Yet, the principles that govern proprioceptive processing are poorly understood. Here, we employ a task-driven modeling approach to investigate the neural code of proprioceptive neurons in cuneate nucleus (CN) and somatosensory cortex area 2 (S1). We simulated muscle spindle signals through musculoskeletal modeling and generated a large-scale movement repertoire to train neural networks based on 16 hypotheses, each representing different computational goals. We found that the emerging, task-optimized internal representations generalize from synthetic data to predict neural dynamics in CN and S1 of primates. Computational tasks that aim to predict the limb position and velocity were the best at predicting the neural activity in both areas. Since task optimization develops representations that better predict neural activity during active than passive movements, we postulate that neural activity in the CN and S1 is top-down modulated during goal-directed movements.

Graphical abstract

脳はどのようにして体の位置と動きを感知するのか(How the brain senses body position and movement)

医療・健康
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