大脑里有张“手位置地图”

　　【深一度】

　　大脑指挥手伸向水杯，看似平常的动作，背后却藏着一张精密的“手位置地图”——手在哪儿、要伸向哪儿、怎么伸过去？大脑如何实时“定位”？近日，中国科学院自动化研究所脑图谱与类脑智能实验室余山课题组发表研究成果，试图回答这一问题。

　　论文通讯作者、中国科学院自动化研究所脑图谱与类脑智能实验室研究员余山告诉记者，这项研究揭示出猕猴初级运动皮层（M1，负责运动执行）和背侧前运动皮层（PMd，负责运动规划）中，存在显式的三维空间手位置表征。

　　“大脑不仅编码‘怎么动’，还维护着一张类似GPS的‘手位置地图’。”论文第一作者、中国科学院自动化研究所博士曹盛浩说，仅用数十个编码位置的神经元，就能精确解码三维手部轨迹。

大脑不只算“怎么伸”，也标记“伸到哪”

　　长期以来，运动皮层研究更多关注“手怎么动”，方向、速度等执行参数是研究重点。“手在哪里”这一基础问题，反而容易被忽略。此次研究把对问题的认识往前推了一步。

　　研究团队在猕猴左侧的PMd和M1植入微电极阵列，记录单神经元放电。通过对三维空间运动过程中细胞放电率的计算，他们发现，M1中有36.2%、PMd中有21.3%的神经元对手的实时位置有编码。

　　“这意味着，负责规划运动的PMd和发出运动执行指令的M1，都直接地表征着手在空间中的位置。”曹盛浩说，大脑不只在算“怎么伸”，也在标记“伸到哪”。

　　这些神经元怎么编码位置？研究团队得出的结论是：并非早期研究认为的“线性梯度”，即放电率随空间单调增减，它们呈现为局域化的“拉长的椭球体”，且三维高斯模型显著优于平面梯度模型的拟合结果。曹盛浩解释，某些细胞会在手到达某个空间区域时明显活跃，就像地图上的一个个“热点”，而不是一条简单的斜线。

　　“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。”余山指出，脑机接口未来的发展，需要不断从神经科学的底层突破中获得助力，而这张“手位置地图”的发现，正是从底层理解大脑运动编码的一步。

自由伸手，看清怎么画“地图”

　　不过，有个难题——位置和方向容易搅在一起。

　　曹盛浩介绍，以往研究往往把猕猴的运动范围限于少量离散位置，而手的位置和运动方向高度相关。细胞放电增强，到底是因为手到了某个位置，还是因为手朝某个方向动？两者搅在一起，不容易分辨。

　　为了解开这个难题，研究团队设计了一个无约束的三维抓取任务，让猕猴可以完全自由地决定何时伸手以及伸向何处。这样，同一空间位置可以被不同轨迹、不同方向反复经过。如此，在统计上，“位置”与“方向”自然解耦。先让手“自由走”，再回头判断细胞到底在“看”什么——这一步，是看清“地图”的关键。

　　令研究者感到意外的是，M1和PMd这两张“地图”的组织方式截然不同。曹盛浩介绍，M1的位置场系统性地沿空间主轴——前后、上下、左右——排列，还呈现出多尺度聚集特征，如同城市有街区、街区有建筑，而PMd的位置场方向更分散，分布更接近随机。“一个更像精细的‘街道地图’，一个更像抽象的‘规划草图’。”曹盛浩比喻道。研究团队推测，这种差异反映两者在运动控制中的不同分工：M1需要为精细手部控制提供专门坐标框架，PMd则参与更高层运动规划，表征结构更加抽象。

　　分工不同，地图的画法也不同。研究团队认为，大脑既要算明白“怎么伸”，也要想清楚“往哪去”，因此，一张地图管精细执行，一张地图管宏观规划，两者配合，手才能伸得准、伸得顺。

为脑机接口提供理论支撑

　　解码实验则给出更直观的答案。

　　对脑机接口而言，这是最具直接价值的部分。研究团队以3组神经元分别解码手运动的三维轨迹，包括全部细胞、位置细胞、随机抽取同等数量的非位置细胞。

　　实验数据显示：在PMd中，仅占记录细胞17.7%的位置细胞，达到全群体解码性能的94.1%；在M1中，占32.8%的位置细胞，达到92.9%的性能。进一步分析指出，要达到全群体90%的解码性能，PMd仅需约2.8个位置调谐细胞，M1则需约16.4个。“大脑编码的效率由此可见。”曹盛浩强调，“少而精”的神经元群，即可支撑高精度的空间解码。

　　除了实时手位置，研究团队还发现运动皮层中存在对抓取目标位置的编码。同一套“导航地图”，不仅可用于解码运动轨迹，还可直接解码运动目标的位置。传统运动脑机接口控制，需要解码运动方向、速度等信息，从而控制运动过程——这会使解码时间延长、认知负荷提高；位置细胞的发现及其编码方式的阐明，为直接解码运动位置、实现“所想即所得”的脑机接口提供了理论支撑。

　　相较于烦琐的执行过程，大脑皮层更擅长宏观的意图规划。曹盛浩指出，脑机接口若能直接提取这些规划好的轨迹，既可以让外部设备的控制更顺滑，也能大幅降低对硬件通道的依赖。

　　这项研究是余山课题组在运动皮层空间编码领域的系列成果之一。2025年，该研究团队发表论文，在PMd中首次发现手位置场，约22%的PMd神经元在手部处于特定空间位置时活动显著增强。余山介绍，新近发表的这篇论文将研究从PMd扩展到M1+PMd，完成从运动规划脑区到规划+执行双脑区、从平面位置编码到三维空间表征的关键跨越。

　　研究团队透露，接下来他们将进一步探索PMd的时空维度，把“空间编码”升级为“时空编码”。“如果能够解码这些复杂的时空信息，脑机接口设备将能够理解大脑规划好的完整行动方案，从而更加高效地执行。”余山说。

　　（本报记者 崔兴毅）