Neural coding of grasp force planning and control in macaque areas AIP, F5, and M1

Field: Neuroscience (Life Sciences)

In den letzte Jahrzehnten wurde viel daran geforscht zu entschlüsseln wie das Gehirn \nGreifbewegungen koordiniert. Das anteriore intraparietale Areal (AIP), das Hand Areal des \nventralen premotorischen Kortex (F5), und das Hand Areal des primären motorischen \nKortex (M1) wurden als essentielle kortikale Arealen für die Kontrolle der Hand \nidentifiziert. Nichtsdestotrotz ist deutlich weniger darüber bekannt wie die Neuronen \ndieser Areale einen weiteren essentielle Parameter von Greifbewegungen kodieren: \nGreifkraft. Insbesondere die Rolle der tertiären, kortikalen Areale AIP und F5 in diesen \nProzess ist bisher unklar. Die hier durchgeführte Studie befasst sich mit der Wissenslücke \nüber die neuronale Kodierung von Greifkraft Planung und Steuerung in diesen Arealen. \nUm dies zu erreichen, haben wir zwei Makaken (Macaca mulatta) trainiert eine verzögerte \nGreifaufgabe auszuführen mit zwei Grifftypen (ein Griff mit der ganzen Hand oder ein \nPräzisionsgriff) und mit drei verschiedene Kraftniveaus (0-12 N). Während die Affen die \nAufgabe ausführten, haben wir die Aktivität von “single-units“ (einzelnen Neuronen) und \n“multi-units“ (Gruppen von mehreren Neuronen) in den Arealen AIP, F5 und M1 \naufgenommen. Wir berechneten den Prozentsatz von Grifftyp modulierten und Griffkraft \nmodulierten “units“ (cluster-based permutation test) und berechneten wie viel Varianz in \nder Population von “units“ durch Grifftyp und Kraft erklärbar ist, separat für jedes Gehirn \nAreal mit einer modernen Dimensionalitätsreduktionsanalyse (demixed principal \ncomponent analysis). \n18 \nWir zeigen hier zum ersten Mal die Modulation von einzelnen AIP Neuronen durch \nGreifkraft. Weiterhin bestätigen und erweitern wir hier vorherige Ergebnisse, welche \nsolche neuronale Modulationen bereits in F5 und M1 gezeigt haben. Überaschenderweise \nwar der Prozentsatz von “units“ welche durch Griffkraft moduliert werden, in AIP und F5 \nnicht wesentlich kleiner als in M1 und ähnlich zu dem Prozentsatz an Grifftyp modulierte \nNeuronen. Der Anteil an erklärte Varianz in F5 durch Greifkraft war nahezu so groß, wie \nder Anteil erklärt durch Grifftyp. In AIP und M1 war klar mehr Varianz durch Grifftyp \nerklärt als durch Kraft, aber der Anteil an erklärte Varianz beider Arealen war ausreichend, \num zuverlässig Kraftbedingung zu dekodieren. Wir fanden ebenfalls eine starke neuronale \nModulation für Griffkraftbedingungen vor der Bewegungsinitiierung in F5, was \nwahrscheinlich eine Rolle dieses Areals in der Greifkraftplanung repräsentiert. In AIP war \nGreifkraftplanungsaktivität nur in einen der beiden Affen vorhanden und wie erwartet \nnicht präsent in M1 (gemessen nur in einen Affen). Letztendlich, obwohl \nGreifkraftmodulation in einigen Fällen durch Grifftypmodulation beeinflusst war, war nur \nein kleiner Anteil der Populationsvarianz, in den jeweiligen Arealen, durch interaktive \nModulation erklärt. Information über Greifkraft können somit folglich separat vom Grifftyp \nextrahiert werden. \nDiese Ergebnisse legen eine wichtige Rolle von AIP und F5 bei der Greifkraftkontrolle, \nneben M1, nah. F5 ist mit hoher Wahrscheinlichkeit auch bei der Planung von Greifkraft \ninvolviert, während die Rolle von AIP und M1 geringer ist in diesem Prozess. Letztendlich, \nda Grifftyp- und Kraftinformation separat extrahierbar sind, zeigen diese Ergebnisse, dass \nGreifkraft vermutlich unabhängig von Grifftyp, im kortikalen Greifnetzwerk kodiert ist.