中國科學院自動化研究所牽頭的聯(lián)合研究團隊，通過記錄獼猴執(zhí)行自然抓取任務(wù)時的神經(jīng)活動，發(fā)現(xiàn)在大腦的運動皮層中存在類似GPS的神經(jīng)編碼機制，能夠在抓取過程中實時表征手在空間中的位置。這為理解大腦如何控制運動提供了全新視角，并為腦機接口的設(shè)計和機器人運動控制帶來了重要啟發(fā)。
人類以及獼猴等靈長類動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(dǎo)航提供空間信息，幫助動物構(gòu)建認知地圖。然而，手等身體部位的運動是否存在類似的導(dǎo)航框架是未解之謎。
該研究通過在4只獼猴的大腦背側(cè)前運動皮層植入微電極陣列，記錄它們在自然抓取任務(wù)中的神經(jīng)活動，并通過多個攝像頭記錄獼猴手部的運動軌跡，分析了大腦背側(cè)前運動皮層神經(jīng)元在抓取任務(wù)中的活動模式。
研究顯示，約22%的大腦背側(cè)前運動皮層神經(jīng)元在手部處于特定空間位置時活動增強，形成“位置野”。這些神經(jīng)元能夠?qū)崟r、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(jīng)元，就能以80%的準確率解碼手部運動軌跡。這表明，手位置信息在大腦背側(cè)前運動皮層中以“位置野”編碼的形式存在，類似于海馬體中用于導(dǎo)航的位置細胞。
進一步，研究發(fā)現(xiàn)，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大腦背側(cè)前運動皮層神經(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考慮空間信息和運動信息，從而實現(xiàn)了高效的運動規(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)計算框架實現(xiàn)不同尺度上的空間導(dǎo)航。
上述研究為腦機接口和機器人的發(fā)展提供了新思路。通過解碼這些位置神經(jīng)元的活動，有望實現(xiàn)更精準高效的神經(jīng)假肢控制，同時可以基于大腦的運動導(dǎo)航原理來設(shè)計更加靈巧的機械臂控制算法。
近日，相關(guān)成果發(fā)表在《自然-通訊》（Nature Communications）上。該研究由自動化所、解放軍第九醫(yī)學中心、吉林大學第一醫(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)前運動皮層神經(jīng)元的“位置野”活動模式
本文鏈接：研究揭示獼猴大腦如何“導(dǎo)航”手部運動http://www.sq15.cn/show-12-1053-0.html
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