中國科學(xué)院自動(dòng)化研究所牽頭的聯(lián)合研究團隊通過(guò)記錄獼猴執行自然抓取任務(wù)時(shí)的神經(jīng)活動(dòng)，首次發(fā)現在大腦的運動(dòng)皮層中存在一種類(lèi)似“GPS”的神經(jīng)編碼機制，能夠在抓取過(guò)程中實(shí)時(shí)表征手在空間中的位置，這一發(fā)現為理解大腦如何控制運動(dòng)提供了全新的視角，并為腦機接口的設計和機器人運動(dòng)控制帶來(lái)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(lèi)以及獼猴等靈長(cháng)類(lèi)動(dòng)物的手臂可以靈巧地執行各種抓取任務(wù)。大腦如何規劃和執行這些任務(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“位置細胞”（place cells）能夠為身體導航提供空間信息，幫助動(dòng)物構建認知地圖。然而，對于手等身體部位的運動(dòng)，是否存在類(lèi)似的導航框架一直是個(gè)未解之謎。

本研究通過(guò)在四只獼猴的大腦背側前運動(dòng)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(dòng)，并通過(guò)多個(gè)攝像頭記錄獼猴手部的運動(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，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(zhù)增強，形成了“位置野”（position fields）。這些神經(jīng)元能夠實(shí)時(shí)、高效地表征運動(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%的準確率解碼手部運動(dòng)軌跡。這一結果表明，手位置信息在PMd中以“位置野”編碼的形式存在，類(lèi)似于海馬體中用于導航的位置細胞。

研究進(jìn)一步發(fā)現，手位置信息與手的運動(dòng)方向、速度和抓取目標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)考慮空間信息和運動(dòng)信息，從而實(shí)現了高效的運動(dòng)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(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(shí)現不同尺度上的空間導航。

這一研究結果也為腦機接口和機器人的發(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)現更精準高效的神經(jīng)假肢控制，同時(shí)，可以基于大腦的運動(dòng)導航原理，設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(dòng)化研究所、解放軍第九醫學(xué)中心、吉林大學(xué)第一醫院等單位共同完成。自動(dòng)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(dòng)化所韓新勇工程師、蔣田仔研究員，解放軍第九醫學(xué)中心顧建文教授以及吉林大學(xué)第一醫院趙智平博士。該研究得到了國家科技創(chuàng )新2030——“腦科學(xué)與類(lèi)腦研究”重大項目以及腦認知與類(lèi)腦智能全國重點(diǎn)實(shí)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(dòng)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(lái)源：中國科學(xué)院自動(dòng)化研究所