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(shuō),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(wèn)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(guò)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(guò)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(guò)解碼這些位置神經(jīng)元的活動(dòng),未來(lái)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。

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