中國團隊首度揭開神經編碼機制有助於設計機器人手臂

中國科學院自動化研究所宣佈，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徵手在空間中的位置。這一神經科學領域重要研究發現，爲理解大腦如何控制運動提供了全新的視角，併爲腦機接口的設計和機器人運動控制帶來重要啓發。相關成果論文近日在​​國際學術期刊​​《自然-通訊》發表。

中新社報導，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」能夠爲身體導航提供空間信息，幫助動物構建認知地圖。然而，對於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，並通過多個攝像頭記錄獼猴手部的運動軌跡，分析PMd神經元在抓取任務中的活動模式。

研究發現，約22%的PMd神經元在手部處於特定空間位置時活動顯著增強，形成了「位置野」。這些神經元能夠實時、高效地表徵運動中的手位置，僅使用50個最活躍的位置神經元（約佔總記錄神經元的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，類似於海馬體中用於導航的位置細胞。

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神經元羣體中共同編碼。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採用的方式，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，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，可以基於大腦的運動導航原理，設計更加靈巧的機械臂控制算法。

中國科學院自動化研究所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。（取自中新網）