Priors and proprioceptive predictions

先驗與本體感知預測

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2352154625000282

這篇綜述介紹了一種受平衡點假說啟發的運動控制方法。其核心思想是，為了實現一個運動計劃，只需要預測該計劃的本體感知后果。隨后，運動可以通過脊髓和腦干反射弧來執行，這些反射弧會糾正與這些本體感知預測的任何偏差。從這個角度來看，運動指令就是本體感知預測。從控制理論的角度來看，這意味著反射可以被視為閉環反饋回路，其設定點由本體感知預測決定。接下來，我們將考慮在主動推斷方面生成本體感知預測的關鍵要素。這些要素包括對運動軌跡的先驗信念、其時間（自相關）結構，以及對其感覺后果可以被預測的置信度。對于每個要素，我們簡要回顧了可能支持這些底層計算的神經生物學結構。簡而言之，我們將看到皮層脊髓束、小腦和錐體外系系統如何有助于預測和實現一個運動計劃。

引言

從控制理論的角度看待運動系統的神經生物學依賴于閉環反饋的概念[1]。其核心思想是，可以設定一個目標值，并通過負反饋機制來解決運動器官的狀態與期望目標值之間的差異。在本綜述中，我們考慮一種受平衡點假說啟發的方法——該假說提出，當肌肉長度超過一個（部分由中樞神經系統決定的）閾值時，通過運動神經元的募集來產生運動[2]。對這一假說的一種解釋是，脊髓和腦干反射充當閉環控制器的角色，其中反饋信號是通過Ia型和II型感覺傳入神經元傳遞給中樞神經系統的本體感知信號（完整的反饋回路包括反射弧和被控制的系統）。我們關注將平衡點視為對本體感知信號的預測。這種對期望狀態（目標值）和預測狀態之間等價性的強調是主動推斷理論解釋運動行為的核心[3–6]。為了避免混淆，這里使用的“預測”一詞是預測性加工[7]意義上的。它意味著基于生成性世界模型所做出的預測。這意味著它并不（必然）是對未來的預測，而是與我們大腦模型試圖解釋的感覺數據同時進行的。隨著預測的不斷細化，或者當我們采取行動改變感覺數據時，預測誤差得以解決，使預測與當前傳入的感覺輸入保持一致。與直接實現平衡點控制思想的方法[8]類似，主動推斷方法在機器人系統中也顯示出巨大潛力[9–12]。

預測與行動之間的聯系引入了觀念運動理論[13]的元素，該理論涉及將觀念轉化為運動行為。觀念運動現象有時被魔術師利用，并且常被用來解釋19世紀靈媒所使用的諸如桌轉或通靈板之類的把戲[14–16]。這些解釋基于這樣的觀點：足夠強烈的預期——用貝葉斯術語來說，就是概率先驗信念——認為運動將會發生，就足以通過反射性地實現其感覺后果的預測來產生這些相同的運動。

知覺控制理論（PCT）是一種基于負反饋控制的生物行為理論[17,18]。主動推斷的運動控制方法可能被視為與PCT大致兼容[19]。然而，我們注意到本期特刊中的其他文章反對這一觀點[20]。根據PCT，運動行為是通過抵消對內部目標值（參考值）的干擾來控制感覺輸入的。主動推斷可以被視為這一觀點的一個版本，但具有互補的概念性強調。雖然PCT將“知覺信號”視為需要控制的感覺數據的轉換，但主動推斷將知覺視為貝葉斯信念，綜合了來自先驗和感覺的信息。信念更新（知覺推斷）和運動控制隨后被視為對同一個目標函數的聯合優化，該函數衡量內部模型與它試圖解釋的感覺數據之間的擬合度。這里隱含的行動與感知的耦合與平衡點方法和知覺控制方法一致，有助于強調這些理論方法的一致性。

另一個密切相關的方法是“最優控制理論”。主動推斷與最優控制理論的主要區別在于，后者既需要一個前饋（預測）模型，也需要一個逆模型，后者處理來自運動系統的反饋，并識別出實現某種“目標”所需的運動“指令”[21]。相比之下，主動推斷僅使用單一的前饋模型[22]，參見模型預測控制[23]，因此它并不是“最優控制”意義上的內部模型理論的一個例子，而是更符合神經科學中貝葉斯大腦和預測性加工理論所隱含的更廣泛的內部——即生成性或世界——模型的解釋[24,25]。逆模型的作用被低級反射弧所取代，因為“目標”是預期的本體感知反饋，可以通過相對簡單的負反饋回路來實現。然而，有時被用來強調單獨逆模型重要性的一個原因是，需要解釋感覺運動延遲，這些延遲有時被認為太長，無法支持平衡點這種類型的反饋控制[26]。這種調和是主動推斷中廣泛使用的平衡點假說的一個重要更新，被稱為運動的廣義坐標。

反射弧

圖1展示了反射弧的基本結構，并隱含了我們感興趣的控制問題。圖2以更詳細的數學方式展開說明。圖中描繪了II型和Ia型感覺傳入纖維，它們將本體感知信號（即肌肉肌腱的長度及其長度變化率）從肌肉傳遞到脊髓背根。這一傳入信號與下行運動傳導束的預測進行比較。從生理學角度看，“比較”意味著從突觸后膜的興奮性輸入（例如谷氨酸能）中減去抑制性輸入（例如GABA能）——當下行信號與傳入信號匹配時，突觸后膜電位不發生變化。預測與感覺信號之間的差異決定了脊髓腹角中α運動神經元的活動。該運動神經元的軸突終止于肌肉，當本體感知信號與預測不匹配時，會引起肌肉收縮的變化。這意味著肌肉收縮既依賴于本體感知輸入，也依賴于預測輸入。當預測得以實現——即傳入信號與預測一致時——產生的凈力為零。下行預測包括對預期本體感知信號的預測（或閾值——參見文獻[32,33]）以及這種預期的置信度。置信度、精確度或不確定性逆可以看作是增益信號，它乘性地調節預測誤差對運動輸出的影響。

在下一部分，我們將更詳細地探討預期本體感知信號的形式。在這里，我們將重點關注與預測相關的精確度。這種精確度可以分解為兩部分[37]。從啟發式角度看，它們可以被視為空間和時間兩個組成部分。空間組成部分表示在給定時間點信號的逆協方差。時間組成部分取決于信號隨時間的自相關性——即平滑性。圖1右下角的圖表通過展示增加噪聲過程的空間或時間組成部分的精確度的效果，來說明這一點。

對這些精確度的錯誤估計[38]為我們提供了有關其神經解剖學基礎的線索。對精確度空間組成部分的高估會導致預測誤差更快地得以解決，因此對意外的本體感知信號（例如通過輕叩肌肉肌腱可能引發的信號）產生更迅速的反應。這與上運動神經元病變相關的臨床表現一致。這種病變影響皮層脊髓束，并在多種病理中出現，包括運動神經元病[39]、多發性硬化[40]和中風[41]。這意味著下行皮層脊髓投射的一部分作用是減弱低級反射弧的精確度或增益[42]。有趣的是，平衡點理論家對中風后痙攣提出了略有不同的解釋，認為是閾值參數本身降低，使得平衡（或參考）肌肉長度比正常情況下更短[43]。

這種過度反射并不局限于離散的結構性病變。有趣的是，一種名為僵人綜合征的自身免疫性疾病[44]，其自身抗體針對脊髓背角的谷氨酸脫羧酶（GAD），也會表現出反射亢進。GAD的一個作用是合成抑制性神經遞質GABA。下行皮層脊髓投射減弱精確度或增益的觀點得到了以下觀察結果的支持：在這些投射的靶點處，抑制性突觸的自身免疫性破壞會導致對感覺反饋的過度運動反應。

對精確度時間組成部分的高估的影響則稍微微妙一些。這涉及到不同運動階次之間的相關性——例如，某個變量的當前位置與加速度之間的相關性[45]。在動態系統中，位置與加速度之間的負相關意味著鐘擺式或振蕩性動態。模擬研究[38]證實，過度的平滑性估計會導致振蕩性反射模式，并在到達運動中施加緩慢的周期性波動。這些現象與小腦綜合征[46]中觀察到的情況非常相似，并暗示下行小腦脊髓束（即受小腦深部核團活動影響的皮層脊髓束、前庭脊髓束和紅核脊髓束軸突）在調節時間精確度估計中起作用。

關于這一控制回路的最后一點是，當本體感知反饋受損時會發生什么。一個例子是感覺神經病變——通常與干燥綜合征[47]相關——其中本體感知神經元的細胞體發生炎癥。其典型表現是假性舞蹈病，在閉眼時，伸展的四肢可能會出現平滑的震顫樣運動[48]。這意味著來自其他感覺模態（例如視覺）的預測和誤差可以補償精確本體感知數據的缺失。然而，當感覺反饋不足時，本體感知預測中隱含的平滑波動未得到抑制——鑒于預測與指令之間的等價性——這些波動被傳遞給肌肉。這可能會表現為這些預測的實現以及這些平滑震顫樣運動的產生。

下行預測

我們上一節討論了預測本體感知波動的適當精確度的問題。現在我們轉向這些預測是如何由大腦的幕上結構決定的問題。關于生成設定點軌跡的潛在動態，涉及靜止吸引態和動態目標之間的轉換（參見文獻[49]）。這促使我們考慮皮層和皮層下結構。從皮層開始，下行皮層脊髓投射的起源主要是初級運動皮層[50]、布羅德曼4區的第五層（貝茨細胞）錐體細胞。運動皮層具有幾個與預測性運動控制相關的有趣細胞結構特征。第一個特征是第四層細胞相對較少[51]。在許多其他皮層區域中，這一皮層通常由顆粒狀多棘星形細胞組成，這些細胞接收來自丘腦初級核團以及更接近初級感覺皮層的皮層區域的上行投射[52]。因此，通常認為投射到第四層的信號在皮層等級結構中傳遞預測誤差。初級運動皮層中這一層細胞的相對稀少支持了這樣的觀點：運動皮層所做出的預測誤差通常在脊髓或腦干水平得到解決——即通過反射性反饋控制——使得很少有殘余的預測誤差需要回傳到皮層[3]。

我們已經討論了運動皮層預測的置信度，那么它們的內容呢？有一種新興觀點，基于運動分塊的概念[53]，認為這些預測應該預期一系列短運動軌跡，這些軌跡可以組合起來產生復雜運動[54]。有力的電生理學證據支持這一點，包括研究表明運動皮層的神經元群體在特定的伸手軌跡中達到最大放電頻率[55]。此外，輔助運動皮層包含一些神經元群體，其活動（投影到低維空間）呈現出具有不同頻率的周期性軌跡[56]，其中一些可以被周期性感覺刺激所誘導。它們可能作為內部時鐘，幫助對一系列平衡點進行排序。

盡管運動皮層及其鄰近區域可能能夠表征替代軌跡以及這些軌跡的可能排序方式，但能夠從中選擇替代方案至關重要。另一對細胞結構特征暗示了參與這一過程的網絡。這些特征是第五層貝茨細胞向基底神經節（特別是向尾狀核和亞丘腦核）的投射，以及基底神經節輸出核通過丘腦對淺層皮層樹突的調節[57]。這意味著涉及基底神經節的皮層-皮層下環路可能參與運動軌跡序列的選擇和時間安排。

病理學再次為我們提供了關于皮層下結構作用的線索。例如，帕金森病涉及中腦到尾狀核的多巴胺能投射的退化，這些投射通過直接和間接通路平衡表達D1和D2受體的中型棘狀神經元（MSNs）對基底神經節輸出的相對貢獻。D1-MSNs具有較大的樹突樹，在輸出核中引發空間上精確的活動變化，而D2-MSNs具有較小的樹突樹，在輸出核中引發更廣泛的活動模式變化[58]。假設基底神經節輸出代表替代行動計劃，這兩種MSN群體之間的平衡決定了我們選擇特定計劃的置信度，D1-MSNs利用其廣泛的樹突輸入[59]提供關于最佳策略的精確信念，以對抗D2-MSNs對替代策略的較粗略的抑制。置信度的喪失可能是帕金森病運動減少的原因。相比之下，其他病理情況可能導致運動過多，例如亨廷頓病的舞蹈癥以及多巴胺能治療有時導致的運動障礙，表現為不自主但流暢的舞蹈樣運動[60]。這與尾狀核MSN通路的中斷也可能導致對非預期行動序列選擇過度自信的觀點一致，盡管這些序列在內部是一致的。請參閱文獻[61]，討論電生理學中的β活動及其對精確度的假設性編碼。

除了影響選擇哪種運動的置信度外，帕金森病還可能表現為節律運動障礙[62]，患者在重復運動（如手指敲擊）中難以保持一致的節拍間隔。具有一定程度空間或時間規律性的各種形式的感覺提示[63]，如節拍器的節拍或地板上的條紋[64]，通常可以用來恢復對時間的置信度，并實現更流暢的運動控制：參見文獻[65,66]以獲取相關計算研究。合理推測，時間精確度的重要性為超直接基底神經節通路提供了角色，該通路繞過尾狀核并靶向亞丘腦核——有趣的是，這也是用于緩解帕金森病癥狀的深部腦刺激的目標[67]。綜合來看，基底神經節障礙中的病理觀察暗示了其在選擇替代序列以及平衡點步驟的時間安排中的作用，這些平衡點步驟導致運動皮層向脊髓反射弧傳遞的本體感知預測。

結論

上述對運動控制的控制理論方面的概述集中在可能決定本體感知預測的幕上結構，這些預測作為由幕下結構執行的閉環反饋控制的設定點。這依賴于平衡點假說的一個版本[68]，即運動分塊序列的選擇和執行是通過積極解決本體感知預測與脊髓傳入數據之間的誤差來實現的。這一觀點解釋了運動控制網絡的幾個細胞結構特征，并對我們如何理解運動控制障礙的計算基礎具有重要意義。