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中國科學(xué)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，首次發(fā)現(xiàn)在大腦的運動皮層中存在一種類似“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，這一發(fā)現(xiàn)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(shè)計和機器人運動控制帶來了重要啟發(fā)。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》（Nature Communications）。

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)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“位置細胞”（place cells）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，對于手等身體部位的運動，是否存在類似的導(dǎo)航框架一直是個未解之謎。

本研究通過在四只獼猴的大腦背側(cè)前運動皮層（PMd）植入了微電極陣列，記錄了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，從而分析了PMd神經(jīng)元在抓取任務(wù)中的活動模式。

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活動顯著增強，形成了“位置野”（position fields）。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（約占總記錄神經(jīng)元的10%），就能以80%的準確率解碼手部運動軌跡。這一結(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)航的位置細胞。

研究進一步發(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)計算框架實現(xiàn)不同尺度上的空間導(dǎo)航。

這一研究結(jié)果也為腦機接口和機器人的發(fā)展提供了新的思路。通過解碼這些位置神經(jīng)元的活動，未來可能實現(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，設(shè)計更加靈巧的機械臂控制算法。

本研究由中國科學(xué)院自動化研究所、解放軍第九醫(yī)學(xué)中心、吉林大學(xué)第一醫(yī)院等單位共同完成。自動化所博士研究生曹盛浩為第一作者，余山研究員為論文通訊作者。論文的合作者還包括自動化所韓新勇工程師、蔣田仔研究員，解放軍第九醫(yī)學(xué)中心顧建文教授以及吉林大學(xué)第一醫(yī)院趙智平博士。該研究得到了國家科技創(chuàng)新2030——“腦科學(xué)與類腦研究”重大項目以及腦認知與類腦智能全國重點實驗室的資助。

獼猴自然抓取范式以及PMd神經(jīng)元的“位置野”活動模式

論文信息：

Cao,SH.,Han,XY.,Zhao,ZP. et al. Hand position fields of neurons in the premotor cortex of macaques during natural reaching.Nat Commun16,3489 (2025).

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來源：中國科學(xué)院自動化研究所