猕猴额-顶叶皮层在身体自我意识编码中的神经机制研究

The brain’s ability to distinguish between its own body and external objects is called bodily self-consciousness (BSC). Bodily self-consciousness is one of the fundamental abilities to maintain individual survival, and it is also a pillar of self-consciousness. However, due to the lack of effective animal behavior models, single neuron evidence of bodily self-consciousness has been lacking. The applicant’s previous work (published on "PNAS") established for the first time the behavioral task of monkey’s bodily self-consciousness. Based on a Bayesian causal inference model, this work found that bodily self-consciousness is determined by both the bottom-up multisensory inputs and the top-down internal body representation. Furthermore, neural signals in the monkey’s premotor cortex reflected the strength of illusion and the likelihood of misattributing the illusory hand to oneself, thus, revealing a cortical representation of bodily self-consciousness. By combining behavioral tasks, computational models, and monkey electrophysiology, the applicant will investigate the role of multiple areas, including the premotor cortex, area5, and primary somatosensory cortex in the frontal-parietal cortex in bodily self-consciousness. Using a dynamic task, this project will also advance our understating of how environmental and historical information affecting bodily self-consciousness.

大脑识别自我身体和外界物体的过程被称为身体自我意识（bodily self-consciousness, BSC）。BSC是维持个体生存的基本能力之一，也是构成自我意识的核心基础。然而，由于缺少有效的动物行为学模型，关于BSC神经机制的研究还存在很大空白。申请人前期已发表在《美国科学院院刊》上的工作首次建立了猕猴BSC的行为学任务，并结合计算模型，揭示了BSC的编码不仅依赖于自下而上的多种感觉信号，同时还受倒自上而下的先验身体图式的调制，并以贝叶斯因果推断模型的方式整合这两种信息。申请人前期的电生理结果已经表明，猕猴前运动皮层中神经元的活动与BSC中因果推断的计算有关。为了进一步阐明BSC的跨脑区协同加工和计算机制，本研究将结合行为学、计算模型和电生理等手段，继续探究额-顶叶环路中多个脑区在BSC不同层次计算过程中的作用；并从信息动态更新角度，揭示环境和历史信息调制BSC的计算和神经机制。

对自我意识神经机制的探索是意识研究领域长久以来的重要问题和难点。然而，由于缺乏广为接受的理论模型和可供开展机制研究的动物行为范式，自我意识神经基础和演化的研究仍处在起步阶段。本研究以猕猴和人类为研究对象，创新地将多感觉整合原理应用于自我意识研究，并结合行为学、贝叶斯因果推断计算模型和多脑区电生理记录，较为全面的阐释了自我意识编码中多层级信息加工的计算原理和对应的神经基础：.1）.本研究首次建立了包含动态更新过程的身体自我意识行为学范式，并以因果推断模型为基础建立包含动态不同层级更新过程的身体自我意识认知模型。行为结果和模型模拟结果发现，当前状态下表征自我意识的计算，不仅受到当前感觉输入的影响，同时还受到前一时刻自我意识状态的调制。此外，在更长的时间尺度上，长时间改变的先验信息可能通过自上而下的方式影响初级感觉信息的加工。高层级信息（更灵活）的快速更新和初级信息（更保守）的较为缓慢的更新，有助于在动态的环境中快速适应的同时保持自我意识状态的相对稳定。.2）.在行为学和计算模型的基础上，本研究进一步利用猕猴PMC、area5和S1多个脑区的单细胞电生理记录，解析了自我意识计算模型中各层级上信息编码和更新所对应到神经活动。研究结果显示，初级信息主要在顶叶完成，而前运动皮层则负责更高层级的信息整合计算。同时，模型结果一致，前运动皮层中计算的自我意识状态受到历史信息的调制，并可快速动态更新。而顶叶皮层中初级感觉信息的编码则在较大的时间尺度上缓慢更新。.3）.通过构建脑损伤猕猴模型，本研究成功模拟了脑卒中患者中自我身体感知异常的行为现象。并通过定量的行为分析，揭示了损伤和恢复中，不同层级上信息的损伤程度和恢复规律。.综上所述，本研究从多个角度揭示了自我意识动态表征的计算神经机制。研究中所建立的动物行为模型和损伤模型，填补了客观量化的自我意识动物研究的空白，为自我意识原理和临床应用提供了重要的实验证据和理论依据。

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