中新網(wǎng)北京4月23日電(記者 孫自法)中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所(自動(dòng)化所)4月23日發(fā)布消息說，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全球定位系統(tǒng)(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。
這一神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域重要研究發(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)控制帶來重要啟發(fā)。相關(guān)成果論文由中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化所、解放軍第九醫(yī)學(xué)中心、吉林大學(xué)第一醫(yī)院等科研合作伙伴完成，近日已在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然-通訊》發(fā)表。
獼猴自然抓取范式以及PMd神經(jīng)元的“位置野”活動(dòng)模式。中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化所 供圖論文第一作者、中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化所博士研究生曹盛浩介紹說，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)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。
本項(xiàng)研究中，合作團(tuán)隊(duì)通過在4只獼猴的大腦背側(cè)前運(yùn)動(dòng)皮層(PMd)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)，并通過多個(gè)攝像頭記錄獼猴手部的運(yùn)動(dòng)軌跡，從而分析了PMd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PMd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”(即當(dāng)獼猴手部進(jìn)入所在環(huán)境中的特定空間時(shí)，對(duì)應(yīng)的位置細(xì)胞都被發(fā)現(xiàn)激活)。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。該結(jié)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(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)PMd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)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。
研究團(tuán)隊(duì)表示，本項(xiàng)研究結(jié)果也為腦機(jī)接口和機(jī)器人發(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。(完)