研究揭示猕猴大脑如何“导航”手部运动

中国科学院自动化研究所牵头的联合研究团队，通过记录猕猴执行自然抓取任务时的神经活动，发现在大脑的运动皮层中存在类似GPS的神经编码机制，能够在抓取过程中实时表征手在空间中的位置。这为理解大脑如何控制运动提供了全新视角，并为脑机接口的设计和机器人运动控制带来了重要启发。

人类以及猕猴等灵长类动物的手臂可以灵巧地执行各种抓取任务。大脑如何规划和执行这些任务是神经科学的核心问题之一。此前的研究表明，大脑海马体中的“位置细胞”能够为身体导航提供空间信息，帮助动物构建认知地图。然而，手等身体部位的运动是否存在类似的导航框架是未解之谜。

该研究通过在4只猕猴的大脑背侧前运动皮层植入微电极阵列，记录它们在自然抓取任务中的神经活动，并通过多个摄像头记录猕猴手部的运动轨迹，分析了大脑背侧前运动皮层神经元在抓取任务中的活动模式。

研究显示，约22%的大脑背侧前运动皮层神经元在手部处于特定空间位置时活动增强，形成“位置野”。这些神经元能够实时、高效地表征运动中的手位置，仅使用50个最活跃的位置神经元，就能以80%的准确率解码手部运动轨迹。这表明，手位置信息在大脑背侧前运动皮层中以“位置野”编码的形式存在，类似于海马体中用于导航的位置细胞。

进一步，研究发现，手位置信息与手的运动方向、速度和抓取目标的位置等信息在同一个大脑背侧前运动皮层神经元群体中共同编码。这种混合编码方式使得大脑能够同时考虑空间信息和运动信息，从而实现了高效的运动规划和执行。这一混合编码方式正是海马体在空间导航任务采用的方式，提示大脑利用相似的神经计算框架实现不同尺度上的空间导航。

上述研究为脑机接口和机器人的发展提供了新思路。通过解码这些位置神经元的活动，有望实现更精准高效的神经假肢控制，同时可以基于大脑的运动导航原理来设计更加灵巧的机械臂控制算法。

近日，相关成果发表在《自然-通讯》（Nature Communications）上。该研究由自动化所、解放军第九医学中心、吉林大学第一医院等合作完成。

论文链接

猕猴自然抓取范式以及大脑背侧前运动皮层神经元的“位置野”活动模式