廣場(chǎng)舞簡(jiǎn)單又不斷重復的節律傳遞著(zhù)一種神奇魔力，讓人忍不住隨著(zhù)他人的舞蹈動(dòng)作打拍，即便是靜默無(wú)聲的身體動(dòng)作也傳遞著(zhù)這種力量。近年來(lái)，居家鍛煉的熱潮讓健身視頻火遍全網(wǎng)，視頻中教練們的揮舞跳躍就像節拍器一樣讓屏幕前的你感受到強烈的律動(dòng)。一個(gè)有趣的問(wèn)題是：大腦是如何讀取人類(lèi)肢體運動(dòng)中的節律信息并編碼其中的生物特性呢？

　　腦與認知科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗室蔣毅研究組的研究人員借助腦電技術(shù)探索了人腦如何基于肢體運動(dòng)中的節律特征實(shí)現對生物運動(dòng)的特異性動(dòng)態(tài)神經(jīng)編碼（圖1）。實(shí)驗記錄了人類(lèi)被試在觀(guān)看行走（walk）或開(kāi)合跳（jump）運動(dòng)時(shí)的腦活動(dòng)。這些刺激都包含了層級性的節律結構，表現為相對基礎和相對高階的運動(dòng)周期。以行走為例，行走的每一步構成了基礎的腳步周期（step cycle），而左右腳的交替運動(dòng)則形成了高階的步態(tài)周期（gait cycle），后者提供了前者所不具有的關(guān)于左右兩側肢體運動(dòng)相位關(guān)系的信息。

圖1. 生物運動(dòng)中的層級節律結構及其動(dòng)態(tài)神經(jīng)編碼研究概覽

　　實(shí)驗結果發(fā)現受試者大腦皮層中的神經(jīng)振蕩通過(guò)同步化活動(dòng)追蹤了生物運動(dòng)刺激中不同層級的節律結構特征，表現為相關(guān)頻率上神經(jīng)振蕩能量的增強(如gait-cycle frequency: 1 Hz和step-cycle frequency: 2 Hz 上的power peak)。更重要的是，對高階周期結構的追蹤表現出了生物運動(dòng)加工的特異性，即對正立（Upright）生物運動(dòng)刺激的追蹤強度顯著(zhù)大于對倒立（Inverted）刺激的追蹤強度，而倒立在很大程度上破壞了生物運動(dòng)特有的動(dòng)力學(xué)特征。上述結果在不同的運動(dòng)類(lèi)型和任務(wù)要求下都穩定出現（圖2）。進(jìn)一步分析發(fā)現，這種生物特異性的皮層追蹤與個(gè)體對生物運動(dòng)的知覺(jué)敏感性顯著(zhù)相關(guān)，且該現象主要集中在參與生物運動(dòng)特異性加工的右側顳葉電極。

圖2. 大腦皮層的神經(jīng)活動(dòng)追蹤了生物運動(dòng)中不同層級的節律結構，對高階周期結構而非基本周期結構的皮層追蹤表征了特異于生物運動(dòng)的動(dòng)態(tài)神經(jīng)編碼

　　節律結構的提取依賴(lài)于對運動(dòng)信息在時(shí)間和空間上的累積。該研究進(jìn)一步利用計算建模方法評估了兩種潛在的時(shí)空信息累積編碼機制（圖3上）對上述生物運動(dòng)特異性皮層追蹤過(guò)程的貢獻。模型擬合結果（圖3下）表明，大腦對“整合信號”（來(lái)自于對側肢體的對立運動(dòng)）的追蹤，而非對“加和信號”（來(lái)自于不同關(guān)節運動(dòng)的線(xiàn)性疊加）的追蹤，驅動(dòng)了生物運動(dòng)特異性的神經(jīng)編碼。

圖3. 視覺(jué)生物運動(dòng)加工的時(shí)空信息累積編碼模型

　　綜上，該研究揭示了基于人類(lèi)運動(dòng)中節律性動(dòng)力學(xué)特征的皮層追蹤現象及其時(shí)空編碼機制，該機制為生物運動(dòng)信息的時(shí)空整合和分割提供了時(shí)間框架，并有助于大腦對生物運動(dòng)關(guān)鍵動(dòng)態(tài)信息的提取和知覺(jué)。此外，該研究發(fā)現的層級性皮層追蹤效應與語(yǔ)言和音樂(lè )研究的結果具有一定的相似性，為回答人類(lèi)認知神經(jīng)系統如何加工這些復雜而有意義的動(dòng)態(tài)信息提供了啟示。人類(lèi)能產(chǎn)生并接收有節律的動(dòng)作和聲音。在面對這些信息時(shí)，大腦可能利用節律性的神經(jīng)活動(dòng)編碼提取刺激節律結構中的統計規律和關(guān)鍵特征，構建相應的動(dòng)態(tài)知覺(jué)表征，從而為個(gè)體有效理解他人行為并進(jìn)行互動(dòng)奠定了基礎。

　　該研究獲得科技創(chuàng )新2030“腦科學(xué)與類(lèi)腦研究”重大項目、國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院先導專(zhuān)項、前沿科學(xué)重點(diǎn)研究項目、中科院青年創(chuàng )新促進(jìn)會(huì )等的支持。

　　相關(guān)成果已發(fā)表于NeuroImage。中國科學(xué)院心理研究所博士研究生申莉為論文第一作者；中國科學(xué)院心理研究所副研究員王瑩為通訊作者。

　　論文信息：

　　Shen, L., Lu, X., Yuan, X., Hu, R., Wang, Y. & Jiang, Y. (2023). Cortical encoding of rhythmic kinematic structures in biological motion. NeuroImage, 268, 119893. https://doi.org/10.1016/j.neuroimage.2023.119893

　　課題組相關(guān)論文信息：

　　Yuan, P., Hu, R., Zhang, X., Wang, Y., & Jiang, Y. (2021). Cortical entrainment to hierarchical contextual rhythms recomposes dynamic attending in visual perception. eLife, 10, e65118. https://doi.org/10.7554/eLife.65118