首度揭開神經編碼機制 陸研究有助設計機器人手臂

中國科學院自動化研究所宣布,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,為理解大腦如何控制運動提供了全新的視角,並為腦機接口的設計和機器人運動控制帶來重要啟發。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」能夠為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隻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。
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