官方网站-首页

【导语】日常中一个简单的伸手拿水杯动作，背后却隐藏着大脑复杂的计算机制。近日，中国科学院自动化研究所的科研团队揭示了大脑控制手部运动的秘密——猕猴大脑中存在一个类似“GPS”的系统，专门负责手部的实时定位导航。这一发现不仅深化了我们对大脑运动控制的理解，更为脑机接口设计和机器人运动控制带来了革命性的启发，未来有望应用于神经假肢的精准控制及提升机器人的感知与操控能力。

你有没有想过，当你想伸手拿桌上的水杯时，大脑是如何精确指挥你的手，让它不偏不倚、不快不慢地完成这个动作的？这个我们每天做无数次的“小事”，背后其实隐藏着大脑极其复杂的计算。

最近，中国科学院自动化研究所牵头的科研团队，揭开了这个秘密的一角。他们发现，在猕猴大脑中负责计划运动的区域，竟然存在一个类似“GPS”的系统，专门负责为手进行实时定位导航！

导航卫星可以为各类交通工具提供位置导航信息，大(dà)脑(nǎo)里(lǐ)也(yě)同(tóng)样(yàng)存(cún)在(zài)类(lèi)似(shì)的(de)机(jī)制(zhì)指(zhǐ)引(yǐn)手(shǒu)部(bù)的(de)运(yùn)动(dòng)。

大(dà)脑(nǎo)里(lǐ)的(de)导(dǎo)航(háng)系(xì)统(tǒng)，不(bù)只(zhǐ)一(yī)个(gè)

众(zhòng)所(suǒ)周(zhōu)知(zhī)，汽(qì)车(chē)有(yǒu)GPS，可(kě)以(yǐ)告(gào)诉(su)我(wǒ)们(men)现(xiàn)在(zài)在(zài)哪(nǎ)，该(gāi)往(wǎng)哪(nǎ)走(zǒu)。科(kē)学(xué)家(jiā)们(men)早就发现，我们(men)的(de)大(dà)脑(nǎo)里(lǐ)也(yě)有(yǒu)一(yī)个(gè)类(lèi)似(shì)的(de)“总(zǒng)GPS”，它(tā)位(wèi)于(yú)一(yī)个(gè)叫(jiào)做(zuò)“海(hǎi)马(mǎ)体(tǐ)”的(de)区(qū)域，帮(bāng)助(zhù)我(wǒ)们(men)在(zài)城(chéng)市(shì)里(lǐ)找(zhǎo)路、在(zài)房(fáng)间(jiān)里(lǐ)行(xíng)走(zǒu)，构(gòu)建(jiàn)起(qǐ)我(wǒ)们(men)对(duì)整(zhěng)个(gè)空(kōng)间(jiān)的(de)认(rèn)知(zhī)地(de)图(tú)。

但问题来了，对于像手这样身体上一个“小零件”的精细运动，大脑是否也有一个专门的“迷你GPS”呢？这个问题一直困扰着神经科学家。

为了找到答案，研究团队找来了几位“特约研究(jiū)员(yuán)”——猕(mí)猴(hóu)。它(tā)们(men)和(hé)人类一样，拥有一双极其灵巧的手。

科学家们在猕猴大脑中一个叫做“前运动皮层”的区域（你可以把它想象成“运动规划中心”）植入了非常微小的传感器，用来“偷听”大脑神经细胞在猕猴伸手抓东西时的“对话”。同时，他们用好几个摄像头，精准记录下猕猴手部运动的每一个瞬间。

接下来，就是见证奇迹的时刻。

猕猴自然抓取范式以及大脑背侧前运动皮层神经元的“位置野”活动模式（图片来源：中科院网站）

当科学家们对比猕猴的手部位置和大脑信号时，他们发现了一个有趣的现象：大脑里有那么一群特殊的神经细胞，它们非常“专一”。比如，A细胞只在猕猴的手移动到A点附近时才会兴奋地“亮起来”；而当手移动到B点时，则是B细胞开始活跃。

这些神经细胞各自负责一块特定的空间区域，科学家把这些区域称为“位置野”。当手在空间中运动时，这些“位置野”就像一个个像素点，被依次点亮，从而在大脑中实时描绘出了手的运动轨迹。

简单来说，就是科研人员通过记录猕猴执行自然抓取任务时的神经活动，发现在大脑的运动皮层中存在类似GPS的神经编码机制，能够在抓取过程中实时表征手在空间中的位置。

一个更聪明的“GPS”，身兼数职

这个(gè)新(xīn)发(fā)现(xiàn)的(de)“手(shǒu)部(bù)GPS”有(yǒu)多(duō)厉(lì)害(hài)呢(ne)？研(yán)究(jiū)显(xiǎn)示(shì)，它(tā)非(fēi)常(cháng)高(gāo)效(xiào)！科(kē)学(xué)家(jiā)们(men)仅(jǐn)仅(jǐn)动(dòng)用(yòng)了(le)大(dà)约(yuē)50个(gè)最(zuì)活(huó)跃(yuè)的(de)“位置细胞”（只占总记录细胞的10%），就能以高达80%的准确率，完美“翻译”出手的整个运动路径。

更酷的是，这个GPS系统还是个“多面手”。

同一个神经细胞，在报告“手现在在这里！”的同时，还会顺便报告“手正朝那个方向移动，速度是这么快，而且它的目标是桌上的那颗花生！”

这种将位置、方向、速度、目标等多种信息“打包”在一起处理的“混合编码”方式，就像一个超级智能的导航软件，不仅告诉你当前位置，还同时显示了车速、方向和目的地，让大脑能够极其高效地规划和执行抓取动作。

有趣的是，这种高效的工作方式，与大脑里那个负责全身导航的“总GPS”（海马体）所使用的方法如出一辙。这暗示着，大脑可能采用了一套通用的“空间导航法则”，来处理从“走遍世界”到“伸手取物”等不同尺度的运动。

未来的机械臂或许也能拥有像人手一样的感知和操控能力（AI生成图片）

这个发现，将如何改变我们的未来？

这项“手部GPS”的发现为理解大脑如何控制运动提供了全新视角，并为脑机接口的设计和机器人运动控制带(dài)来(lái)了(le)重(zhòng)要(yào)启(qǐ)发(fā)。

对于残障人士来说，通过解码这些位置神经元的活动，有望实现更精准高效的神经假肢控制。此外，科学家也可以借鉴大脑这套精妙的导航算法，来设计机器人的控制系统，让机械臂也能拥有像人手一样的感知和操控能力，去完成那些更精细、更复杂的任务。（刘允）

参考信息
https://www.cas.cn/syky/202504/t20250424_5065946.shtml
https://www.nature.com/articles/s41467-025-58786-3

审核：中国科学院自动化研究所研究员 余山