你有沒有想過，當(dāng)你想伸手拿桌上的水杯時(shí)，大腦是如何精確指揮你的手，讓它不偏不倚、不快不慢地完成這個(gè)動(dòng)作的？這個(gè)我們每天做無數(shù)次的“小事”，背后其實(shí)隱藏著大腦極其復(fù)雜的計(jì)算。

最近，中國科學(xué)院自動(dòng)化研究所牽頭的科研團(tuán)隊(duì)，揭開了這個(gè)秘密的一角。他們發(fā)現(xiàn)，在獼猴大腦中負(fù)責(zé)計(jì)劃運(yùn)動(dòng)的區(qū)域，竟然存在一個(gè)類似“GPS”的系統(tǒng)，專門負(fù)責(zé)為手進(jìn)行實(shí)時(shí)定位導(dǎo)航！

導(dǎo)航衛(wèi)星可以為各類交通工具提供位置導(dǎo)航信息，大腦里也同樣存在類似的機(jī)制指引手部的運(yùn)動(dòng)

大腦里的導(dǎo)航系統(tǒng)，不止一個(gè)

眾所周知，汽車有GPS，可以告訴我們現(xiàn)在在哪，該往哪走?？茖W(xué)家們?cè)缇桶l(fā)現(xiàn)，我們的大腦里也有一個(gè)類似的“總GPS”，它位于一個(gè)叫做“海馬體”的區(qū)域，幫助我們?cè)诔鞘欣镎衣贰⒃诜块g里行走，構(gòu)建起我們對(duì)整個(gè)空間的認(rèn)知地圖。

海馬體是大腦顳葉內(nèi)一個(gè)弓形隆起部分，因形似海洋動(dòng)物海馬而得名

但問題來了，對(duì)于像手這樣身體上一個(gè)“小零件”的精細(xì)運(yùn)動(dòng)，大腦是否也有一個(gè)專門的“迷你GPS”呢？這個(gè)問題一直困擾著神經(jīng)科學(xué)家。

為了找到答案，研究團(tuán)隊(duì)找來了幾位“特約研究員”——獼猴。它們和人類一樣，擁有一雙極其靈巧的手。

科學(xué)家們?cè)讷J猴大腦中一個(gè)叫做“前運(yùn)動(dòng)皮層”的區(qū)域（你可以把它想象成“運(yùn)動(dòng)規(guī)劃中心”）植入了非常微小的傳感器，用來“偷聽”大腦神經(jīng)細(xì)胞在獼猴伸手抓東西時(shí)的“對(duì)話”。同時(shí)，他們用好幾個(gè)攝像頭，精準(zhǔn)記錄下獼猴手部運(yùn)動(dòng)的每一個(gè)瞬間。

接下來，就是見證奇跡的時(shí)刻。

獼猴自然抓取范式以及大腦背側(cè)前運(yùn)動(dòng)皮層神經(jīng)元的“位置野”活動(dòng)模式（圖片來源：中國科學(xué)院網(wǎng)站）

當(dāng)科學(xué)家們對(duì)比獼猴的手部位置和大腦信號(hào)時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)了一個(gè)有趣的現(xiàn)象：大腦里有那么一群特殊的神經(jīng)細(xì)胞，它們非?！皩Ｒ弧?。比如，A細(xì)胞只在獼猴的手移動(dòng)到A點(diǎn)附近時(shí)才會(huì)興奮地“亮起來”；而當(dāng)手移動(dòng)到B點(diǎn)時(shí)，則是B細(xì)胞開始活躍。

這些神經(jīng)細(xì)胞各自負(fù)責(zé)一塊特定的空間區(qū)域，科學(xué)家把這些區(qū)域稱為“位置野”。當(dāng)手在空間中運(yùn)動(dòng)時(shí)，這些“位置野”就像一個(gè)個(gè)像素點(diǎn)，被依次點(diǎn)亮，從而在大腦中實(shí)時(shí)描繪出了手的運(yùn)動(dòng)軌跡。

簡單來說，就是科研人員通過記錄獼猴執(zhí)行自然抓取任務(wù)時(shí)的神經(jīng)活動(dòng)，發(fā)現(xiàn)在大腦的運(yùn)動(dòng)皮層中存在類似GPS的神經(jīng)編碼機(jī)制，能夠在抓取過程中實(shí)時(shí)表征手在空間中的位置。

一個(gè)更聰明的“GPS”，身兼數(shù)職

這個(gè)新發(fā)現(xiàn)的“手部GPS”有多厲害呢？研究顯示，它非常高效！科學(xué)家們僅僅動(dòng)用了大約50個(gè)最活躍的“位置細(xì)胞”（只占總記錄細(xì)胞的10%），就能以高達(dá)80%的準(zhǔn)確率，完美“翻譯”出手的整個(gè)運(yùn)動(dòng)路徑。

更酷的是，這個(gè)GPS系統(tǒng)還是個(gè)“多面手”。

同一個(gè)神經(jīng)細(xì)胞，在報(bào)告“手現(xiàn)在在這里！”的同時(shí)，還會(huì)順便報(bào)告“手正朝那個(gè)方向移動(dòng)，速度是這么快，而且它的目標(biāo)是桌上的那顆花生！”

這種將位置、方向、速度、目標(biāo)等多種信息“打包”在一起處理的“混合編碼”方式，就像一個(gè)超級(jí)智能的導(dǎo)航軟件，不僅告訴你當(dāng)前位置，還同時(shí)顯示了車速、方向和目的地，讓大腦能夠極其高效地規(guī)劃和執(zhí)行抓取動(dòng)作。

有趣的是，這種高效的工作方式，與大腦里那個(gè)負(fù)責(zé)全身導(dǎo)航的“總GPS”（海馬體）所使用的方法如出一轍。這暗示著，大腦可能采用了一套通用的“空間導(dǎo)航法則”，來處理從“走遍世界”到“伸手取物”等不同尺度的運(yùn)動(dòng)。

未來的機(jī)械臂或許也能擁有像人手一樣的感知和操控能力 （AI生成圖片）

這個(gè)發(fā)現(xiàn)，將如何改變我們的未來？

這項(xiàng)“手部GPS”的發(fā)現(xiàn)為理解大腦如何控制運(yùn)動(dòng)提供了全新視角，并為腦機(jī)接口的設(shè)計(jì)和機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制帶來了重要啟發(fā)。

對(duì)于殘障人士來說，通過解碼這些位置神經(jīng)元的活動(dòng)，有望實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)高效的神經(jīng)假肢控制。此外，科學(xué)家也可以借鑒大腦這套精妙的導(dǎo)航算法，來設(shè)計(jì)機(jī)器人的控制系統(tǒng)，讓機(jī)械臂也能擁有像人手一樣的感知和操控能力，去完成那些更精細(xì)、更復(fù)雜的任務(wù)。

作者：劉允

審核專家：余山 中國科學(xué)院自動(dòng)化研究所研究員

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