Publication: Directional tuning of cortical neurons for the case of bimanual movements
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Publication date
2015-06
Defense date
2015-07-07
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Abstract
Although the majority of our upper-limb movements are performed with two arms, only a few
neurophysiological studies have addressed neuronal mechanisms of bimanual motor control.
In particular, little is known about directional tuning of cortical neurons during bimanual motor
tasks. This contrasts with the vast literature on the same topic for unimanual movements.
Georgopoulos and his colleagues pioneered the description of neuronal mechanisms of
unimanual movements in terms of directional tuning curves, where firing rate of a neuron is
expressed as a function of reach angle for center-out movements. According to Georgopoulos,
individual neurons in the motor cortex are broadly tuned to movement direction, with the
firing rate reaching a maximum value for the direction called preferred. This tuning pattern is
well approximated by a cosine curve. No such description has been developed for bimanual
movements. The main objective of the project is to address this gap in knowledge. For this
purpose, an analysis will be presented of neuronal recordings performed in rhesus monkeys
trained to perform bimanual tasks. Multiple linear regression fitting methods will be used to
describe the dependency of neuronal rates on the movement directions of two arms,
comparing the results obtained with each method. Neuronal tuning for unimanual movements
(performed with either the left or right arm) will also be compared with the tuning for
bimanual movements, testing whether bimanual tuning could be derived from the tuning for
each arm tested separately, or if it is principally different from the dependencies for unimanual
movements. The results from this work will eventually lead to improved neural decoding
algorithms that could be utilized in brain-machine interfaces.
A pesar de que la mayoría de los movimientos que realizamos con los miembros superiores sea con los dos brazos, pocos estudios neurofisiológicos han analizado los mecanismos neuronales del control motor bimanual. En particular, sabemos poco acerca del ajuste direccional de las neuronas motoras durante movimientos bimanuales. Esto contrasta con la extensa investigación que se ha realizado sobre el mismo tema para movimientos unimanuales. Georgopoulos y sus colaboradores lideraron la descripción de movimientos unimanuales en términos de curvas de ajuste direccional, donde la actividad neuronal se expresa en función del ángulo del movimiento del brazo. Según Georgopoulos las neuronas del cortex motor se ajustan de manera “amplia” a la dirección del movimiento, siendo máximo el ritmo de activación de la neurona para movimientos realizados en la “dirección preferida” de la neurona. Esta curva de ajuste se aproxima a un coseno. Una descripción de este tipo para movimientos bimanuales no ha sido realizada aún. El objetivo principal del proyecto es abordar esta laguna de conocimiento. Para ello se analizarán grabaciones neuronales de macacos Rhesus durante movimientos bimanuales. Se utilizarán varios modelos de regresión linear múltiple para analizar la relación entre la actividad neuronal y la dirección del movimiento de los brazos. Asimismo se contrastarán los resultados obtenidos con los diferentes métodos. El ajuste direccional de las neuronas durante movimientos unimanuales será comparado con el obtenido para movimientos bimanuales. Específicamente, se estudiará si el ajuste direccional en movimientos bimanuales puede derivarse del ajuste direccional de cada brazo durante movimientos aislados, o si es mayoritariamente independiente de la representación neuronal durante movimientos unimanuales. Los resultados de este trabajo podrán contribuir al desarrollo de mejores algoritmos para descodificar la actividad neuronal, los cuales son una parte esencial de las Interfaces Cerebro-Computadora.
A pesar de que la mayoría de los movimientos que realizamos con los miembros superiores sea con los dos brazos, pocos estudios neurofisiológicos han analizado los mecanismos neuronales del control motor bimanual. En particular, sabemos poco acerca del ajuste direccional de las neuronas motoras durante movimientos bimanuales. Esto contrasta con la extensa investigación que se ha realizado sobre el mismo tema para movimientos unimanuales. Georgopoulos y sus colaboradores lideraron la descripción de movimientos unimanuales en términos de curvas de ajuste direccional, donde la actividad neuronal se expresa en función del ángulo del movimiento del brazo. Según Georgopoulos las neuronas del cortex motor se ajustan de manera “amplia” a la dirección del movimiento, siendo máximo el ritmo de activación de la neurona para movimientos realizados en la “dirección preferida” de la neurona. Esta curva de ajuste se aproxima a un coseno. Una descripción de este tipo para movimientos bimanuales no ha sido realizada aún. El objetivo principal del proyecto es abordar esta laguna de conocimiento. Para ello se analizarán grabaciones neuronales de macacos Rhesus durante movimientos bimanuales. Se utilizarán varios modelos de regresión linear múltiple para analizar la relación entre la actividad neuronal y la dirección del movimiento de los brazos. Asimismo se contrastarán los resultados obtenidos con los diferentes métodos. El ajuste direccional de las neuronas durante movimientos unimanuales será comparado con el obtenido para movimientos bimanuales. Específicamente, se estudiará si el ajuste direccional en movimientos bimanuales puede derivarse del ajuste direccional de cada brazo durante movimientos aislados, o si es mayoritariamente independiente de la representación neuronal durante movimientos unimanuales. Los resultados de este trabajo podrán contribuir al desarrollo de mejores algoritmos para descodificar la actividad neuronal, los cuales son una parte esencial de las Interfaces Cerebro-Computadora.
Description
Keywords
Neurophysiology, Bimanual motor control, Neuronal tuning, Neural decoding algorithms