大脑“三维手位置地图”为新一代脑机接口提供科学依据
大脑“三维手位置地图”为新一代脑机接口提供科学依据
大脑在控制手部运动时，不只管手怎么动，还记录着手现在在哪儿。记者13日从中国科学院自动化研究所获悉，该所余山研究员团队在猕猴大脑运动皮层中发现三维“手位置地图”，并证明只用少量相关神经元，就能较精确地解码手的三维运动轨迹。这为更高效的新一代脑机接口提供了科学依据。相关研究成果发表于《神经科学杂志》。
脑机接口如何更高效地“读懂”大脑，是当前研究热点。大脑运动皮层里有两个重要区域：一个负责发出动作指令（M1），一个负责规划动作（PMd）。以往研究常把猕猴运动范围限制在少量固定位置，手的位置和运动方向容易混在一起，不易判断神经元到底在“管”什么。
为解开这个难题，研究团队以两只雄性猕猴为实验对象，设计了一个自由的三维抓取任务，让猕猴自己决定何时伸手、伸向何处。这样，同一空间位置会被不同路线、不同方向反复经过，研究人员就能把“位置”和“方向”区分开。随后，研究团队在猕猴大脑的M1和PMd区域植入微电极，记录单个神经元的放电活动。结果发现，M1中约36.2%的神经元、PMd中约21.3%的神经元，会随着手在空间中的实时位置变化而改变活动。也就是说，大脑不仅管怎么动，还记录着手现在在哪儿。
团队分析发现，这些神经元并不是简单地随距离增加而增强或减弱，而是像一个个局部“热点”：手到了某个区域，相关神经元就明显活跃。更让研究者意外的是，M1和PMd两张“地图”的排布方式并不一样。M1中的“热点”较有规律地沿前后、上下、左右等方向排列，有的成片聚集，有的在更小范围内聚集；PMd中的“热点”方向更分散，分布更接近随机。“我们推测，这与两个脑区分工不同有关：M1要为精细手部控制提供专门坐标，PMd则参与更高层运动规划，表示方式更抽象。”论文通讯作者余山说。
这张“地图”画出来了，能不能用来“读”出手的位置？研究团队随后做了解码实验。研究人员设置了三种解码方案：第一种用全部记录到的神经元来解码，把它的效果作为100%的基准；第二种只用位置细胞；第三种随机抽取同样数量、但与手位置无关的神经元，作为对照。所谓“位置细胞”，就是那些“手到了某个区域就明显活跃”的神经元。
结果显示，在PMd中，只占记录细胞17.7%的位置细胞，就能达到全部细胞解码效果的94.1%；在M1中，占记录细胞32.8%的位置细胞，解码效果就能达到全部细胞的92.9%。而随机抽取同样数量的非位置细胞，解码效果明显更差。这说明，高精度解码的关键在于这批专门编码手位置的细胞，而非神经元的数量本身。
“我们进一步推算，如果要达到用全部细胞解码效果的90%，平均来看，PMd大约只需要2.8个位置相关细胞，M1大约只需要16.4个，这里指的是统计学意义上的平均所需数量。这说明大脑的空间编码具有高度的‘稀疏性’，少量‘精兵’即可支撑高精度的空间解码。”余山解释。
研究还发现，运动皮层中同样存在对抓取目标位置的编码。也就是说，同一套“导航地图”不仅能解读手怎么动，还能直接解读手要伸向哪里。传统运动脑机接口通常需要先解码运动方向、速度等动态参数，再进行过程控制，不仅耗时较长，且认知负担较高。位置细胞的发现，为直接解码运动位置、让脑机接口更接近“所想即所得”提供了理论支撑。
论文第一作者、中国科学院自动化研究所曹盛浩博士解释，大脑皮层更擅长宏观的意图规划。脑机接口若能直接提取这些规划好的轨迹，不仅能让外部设备控制更顺滑，还能降低对硬件通道的依赖。
余山表示，脑机接口未来发展，需要不断从神经科学底层突破中获得助力，“我们对大脑理解得越深，脑机接口的效能就可以发挥得越好”。