人民網(wǎng)北京4月24日電 （記者趙竹青）記者從中國科學(xué)院自動(dòng)化研究所獲悉，由該所牽頭的聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)通過記錄獼猴執(zhí)行自然抓取任務(wù)時(shí)的神經(jīng)活動(dòng)，首次發(fā)現(xiàn)在大腦的運(yùn)動(dòng)皮層中存在一種類似“GPS”的神經(jīng)編碼機(jī)制，能夠在抓取過程中實(shí)時(shí)表征手在空間中的位置。相關(guān)成果已于近日發(fā)表于??國際學(xué)術(shù)期刊??《自然·通訊》。??
這一發(fā)現(xiàn)為理解大腦如何控制運(yùn)動(dòng)提供了全新的視角，并為腦機(jī)接口的設(shè)計(jì)和機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制帶來了重要啟發(fā)。
人類以及獼猴等靈長類動(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)一直是神經(jīng)科學(xué)的核心問題之一。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，對(duì)于手等身體部位的運(yùn)動(dòng)，是否存在類似的導(dǎo)航框架一直是個(gè)未解之謎。
本研究通過在四只獼猴的大腦背側(cè)前運(yùn)動(dòng)皮層植入了微電極陣列，記錄了它們?cè)谧匀蛔ト∪蝿?wù)中的神經(jīng)活動(dòng)，并通過多個(gè)攝像頭記錄獼猴手部的運(yùn)動(dòng)軌跡，從而分析了該區(qū)域神經(jīng)元在抓取任務(wù)中的活動(dòng)模式。
研究發(fā)現(xiàn)，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)顯著增強(qiáng)，形成了“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（約占總記錄神經(jīng)元的10%），就能以80%的準(zhǔn)確率解碼手部運(yùn)動(dòng)軌跡。這一結(jié)果表明，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。
研究進(jìn)一步發(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)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。這一混合編碼方式也正是海馬體在空間導(dǎo)航任務(wù)中所采用的方式，提示大腦利用了相似的神經(jīng)計(jì)算框架實(shí)現(xiàn)不同尺度上的空間導(dǎo)航。
這一研究結(jié)果也為腦機(jī)接口和機(jī)器人的發(fā)展提供了新的思路。通過解碼這些位置神經(jīng)元的活動(dòng)，未來可能實(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，設(shè)計(jì)更加靈巧的機(jī)械臂控制算法。