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中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所牽頭的聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)，通過(guò)記錄獼猴執(zhí)行自然抓取任務(wù)時(shí)的神經(jīng)活動(dòng)，發(fā)現(xiàn)在大腦的運(yùn)動(dòng)皮層中存在類似GPS的神經(jīng)編碼機(jī)制，能夠在抓取過(guò)程中實(shí)時(shí)表征手在空間中的位置。這為理解大腦如何控制運(yùn)動(dòng)提供了全新視角，并為腦機(jī)接口的設(shè)計(jì)和機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制帶來(lái)了重要啟發(fā)。

人類以及獼猴等靈長(zhǎng)類動(dòng)物的手臂可以靈巧地執(zhí)行各種抓取任務(wù)。大腦如何規(guī)劃和執(zhí)行這些任務(wù)是神經(jīng)科學(xué)的核心問(wèn)題之一。此前的研究表明，大腦海馬體中的“位置細(xì)胞”能夠?yàn)樯眢w導(dǎo)航提供空間信息，幫助動(dòng)物構(gòu)建認(rèn)知地圖。然而，手等身體部位的運(yùn)動(dòng)是否存在類似的導(dǎo)航框架是未解之謎。

該研究通過(guò)在4只獼猴的大腦背側(cè)前運(yùn)動(dòng)皮層植入微電極陣列，記錄它們?cè)谧匀蛔ト∪蝿?wù)中的神經(jīng)活動(dòng)，并通過(guò)多個(gè)攝像頭記錄獼猴手部的運(yùn)動(dòng)軌跡，分析了大腦背側(cè)前運(yùn)動(dòng)皮層神經(jīng)元在抓取任務(wù)中的活動(dòng)模式。

研究顯示，約22%的大腦背側(cè)前運(yùn)動(dòng)皮層神經(jīng)元在手部處于特定空間位置時(shí)活動(dòng)增強(qiáng)，形成“位置野”。這些神經(jīng)元能夠?qū)崟r(shí)、高效地表征運(yùn)動(dòng)中的手位置，僅使用50個(gè)最活躍的位置神經(jīng)元，就能以80%的準(zhǔn)確率解碼手部運(yùn)動(dòng)軌跡。這表明，手位置信息在大腦背側(cè)前運(yùn)動(dòng)皮層中以“位置野”編碼的形式存在，類似于海馬體中用于導(dǎo)航的位置細(xì)胞。

進(jìn)一步，研究發(fā)現(xiàn)，手位置信息與手的運(yùn)動(dòng)方向、速度和抓取目標(biāo)的位置等信息在同一個(gè)大腦背側(cè)前運(yùn)動(dòng)皮層神經(jīng)元群體中共同編碼。這種混合編碼方式使得大腦能夠同時(shí)考慮空間信息和運(yùn)動(dòng)信息，從而實(shí)現(xiàn)了高效的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃和執(zhí)行。這一混合編碼方式正是海馬體在空間導(dǎo)航任務(wù)采用的方式，提示大腦利用相似的神經(jīng)計(jì)算框架實(shí)現(xiàn)不同尺度上的空間導(dǎo)航。

上述研究為腦機(jī)接口和機(jī)器人的發(fā)展提供了新思路。通過(guò)解碼這些位置神經(jīng)元的活動(dòng)，有望實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)高效的神經(jīng)假肢控制，同時(shí)可以基于大腦的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)航原理來(lái)設(shè)計(jì)更加靈巧的機(jī)械臂控制算法。

近日，相關(guān)成果發(fā)表在《自然-通訊》（Nature Communications）上。該研究由自動(dòng)化所、解放軍第九醫(yī)學(xué)中心、吉林大學(xué)第一醫(yī)院等合作完成。

論文鏈接

獼猴自然抓取范式以及大腦背側(cè)前運(yùn)動(dòng)皮層神經(jīng)元的“位置野”活動(dòng)模式