中新網北京4月23日電(記者 孫自法)中國科學院自動化研究所(自動化所)4月23日發布消息說，由該所牽頭的聯合研究團隊通過記錄獼猴執行自然抓取任務時的神經活動，首次發現在大腦的運動皮層中存在一種類似全球定位系統(GPS)的神經編碼機制，能夠在抓取過程中實時表征手在空間中的位置。
這一神經科學領域重要研究發現，為理解大腦如何控制運動提供了全新的視角，并為腦機接口的設計和機器人運動控制帶來重要啟發。相關成果論文由中國科學院自動化所、解放軍第九醫學中心、吉林大學第一醫院等科研合作伙伴完成，近日已在國際學術期刊《自然-通訊》發表。
獼猴自然抓取范式以及PMd神經元的“位置野”活動模式。中國科學院自動化所 供圖論文第一作者、中國科學院自動化所博士研究生曹盛浩介紹說，人類以及獼猴等靈長類動物的手臂可以靈巧地執行各種抓取任務。大腦如何規劃和執行這些任務一直是神經科學的核心問題之一。此前的研究表明，大腦海馬體中的“位置細胞”能夠為身體導航提供空間信息，幫助動物構建認知地圖。然而，對于手等身體部位的運動，是否存在類似的導航框架一直是個未解之謎。
本項研究中，合作團隊通過在4只獼猴的大腦背側前運動皮層(PMd)植入微電極陣列，記錄它們在自然抓取任務中的神經活動，并通過多個攝像頭記錄獼猴手部的運動軌跡，從而分析了PMd神經元在抓取任務中的活動模式。
研究發現，約22%的PMd神經元在手部處于特定空間位置時活動顯著增強，形成了“位置野”(即當獼猴手部進入所在環境中的特定空間時，對應的位置細胞都被發現激活)。這些神經元能夠實時、高效地表征運動中的手位置，僅使用50個最活躍的位置神經元(約占總記錄神經元的10%)，就能以80%的準確率解碼手部運動軌跡。該結果表明，手位置信息在PMd中以“位置野”編碼的形式存在，類似于海馬體中用于導航的位置細胞。
進一步研究發現，手位置信息與手的運動方向、速度和抓取目標的位置等信息在同一個PMd神經元群體中共同編碼。這種混合編碼方式使得大腦能夠同時考慮空間信息和運動信息，從而實現高效的運動規劃和執行。這一混合編碼方式也正是海馬體在空間導航任務中所采用的方式，提示大腦利用相似的神經計算框架實現不同尺度上的空間導航。
研究團隊表示，本項研究結果也為腦機接口和機器人發展提供了新的思路。通過解碼這些位置神經元的活動，未來可能實現更精準高效的神經假肢控制，同時，可以基于大腦的運動導航原理，設計更加靈巧的機械臂控制算法。(完)