大脑怎么知道你的手在哪？猕猴实验找到“手部GPS”

当你读到这段文字时，手指或许正在屏幕上轻轻滑动。这一切对你而言如此习以为常，以至于你可能根本没意识到，要用揣在兜里的手拿起桌面上的手机，再让手指准确落到想触碰的位置，是一个极其复杂的过程。

以拿起手机为例，你的大脑需要根据手的当前位置和手机所在位置，规划出一条合适的动线。随后，大脑便会向肩膀、手臂和手腕的肌肉发出一连串指令，让它们按照特定顺序收缩和舒张，使手沿着预定的轨迹移动。与此同时，大脑还要不断追踪手的实时位置，并根据反馈信息及时调整动作，才能确保不偏离目标。

就像导航软件必须知道“你在哪”和“你要去哪”，你的大脑也得实时掌握手的位置。可大脑究竟如何知道我们的手在哪里呢？这样一个看似简单的问题一直困扰着科学家。不过，在最近一系列研究中，中国科学院自动化研究所余山课题组终于在猕猴（Macaca mulatta）的大脑中发现了一套负责定位手部位置的神经机制，瞥见了这“定位装置”的一角。

大脑里也有GPS，它追踪着你的手

早在五六年前，当曹盛浩刚刚加入余山课题组攻读博士学位时，他就对手部的定位机制产生了兴趣。在他看来，手的位置是运动控制中不可或缺的信息，但此前的研究却很少关注这点。无论是在神经科学的基础研究领域，还是在脑机接口领域，研究人员往往都会更关注大脑如何编码手的运动方向和速度，却鲜少关注位置信息。“大家好像都有点路径依赖，”曹盛浩说。

曹盛浩猜想，如果能够记录猕猴在活动手部时的大脑信号，或许就能从这些神经活动中找到隐藏的位置线索。于是，他和课题组的其他研究人员为几只猕猴做了手术，在它们大脑的运动皮层中植入了微电极阵列，用来捕捉神经元活动的变化。这些植入猕猴大脑中的装置，乍看之下只是几块边长不到5毫米的微小薄片，但表面排列着密密麻麻的“针尖”。每一个针尖都是一个微型电极，能够捕捉单个神经元的电信号。将这些信号传输出来，研究人员就能持续记录这些神经元在运动过程中的活动变化。

待猴子们术后恢复，研究人员让它们坐在特制的实验椅上，自由地活动手臂。其中一些猴子的手只能在一个二维平面内自由移动，而另一些猴子的上肢则可以在更大的空间范围内活动。为了鼓励猴子主动探索更大的活动空间，研究人员还会利用食物作为奖励，引导它们伸手完成各种动作。在此期间，曹盛浩会同步记录下它们运动皮层中神经元的电信号，以及猴子的整个活动过程。

但真正的挑战才刚刚开始。手的运动从来都不是一个简单的过程。当一只手移动到某个位置时，大脑活动的变化可能来自许多不同的因素，譬如手移动的方向、速度，甚至手臂本身的姿态，都可能影响神经元的活动模式。而研究人员需要从这些复杂的信息中分辨出，究竟哪些神经信号真正反映了手的位置。“这是我们整个研究过程中最困难的点。”曹盛浩说道。

在排除种种因素后，曹盛浩终于从纷繁复杂的神经信号中发现，在猕猴的大脑运动皮层中，有一类特殊神经元的神经活动与手的位置高度相关，他将它们称为“手部位置细胞”（hand position-tuned cells）。这些细胞藏在两个结构上紧密相连的脑区中，其中一个是负责运动准备的背侧前运动皮层（PMd），而另一个则是负责发出运动指令的初级运动皮层（M1），后者也是目前脑机接口技术中最常用于读取神经信号的脑区之一。

这一发现令曹盛浩又惊又喜。“传统上，人们认为初级运动皮层主要负责动作的实际执行过程，”他说，“但我们的结果表明，这个脑区竟然也能够表征手的位置。”这也就意味着，现有的脑机接口设备不仅能从初级运动皮层中提取出执行运动的信息，理论上还能提取出位置信息。

或许在大脑中，也存在“大统一理论”

但真正让曹盛浩感到惊喜的，是这些手部位置细胞的工作方式。他发现，每一个手部位置细胞都有自己偏好的“活动区域”。当猴子的手移动到某些特定位置时，这些细胞就会变得格外活跃；而当手离开这些位置时，它们的活动又会明显减弱。也就是说，这些神经元在大脑中标记了手在空间中的位置坐标。

这种高度精细化的位置编码模式，让曹盛浩联想到了一类早已为神经科学界所熟知的细胞——位置细胞。这些在空间导航中发挥重要作用的神经元位于大脑的海马区域。当我们身处某个特定地点时，某些位置细胞就会被激活，不同位置对应着不同的神经活动模式，让大脑能够在内部构建出一幅关于外部世界的“认知地图”。

关键在于，虽然海马中的位置细胞负责记录个体在广阔空间中的位置，而运动皮层中的手部位置细胞只关注身体特定部位在有限范围内的运动，但二者采用的编码方式却如此相似。余山表示，这一发现提示，大脑可能并非针对每种任务都设计一套完全不同的机制。相反，针对不同的定位任务，我们的大脑或许都采用了一套通用的编码框架，只不过是在不同脑区中表征不同尺度的信息。“而过去基于位置细胞建立起来的认知地图范式，或许也可以拓展到其他领域。”他说道。

面对如此复杂的大脑，余山认为我们或许应当像物理学家那样，尝试寻找这背后的“大统一理论”，也就是那些普适性的机制。毕竟在整个大脑皮层中，无论是视觉、听觉还是运动皮层，它们都具有相似的六层组织结构。当大脑在这些相似的“硬件基础”上实现不同的功能时，不同脑区很可能会采取相似的神经计算策略。

不过在曹盛浩看来，虽然编码方式类似，但这两套定位系统所描述的“位置”可能并不完全相同。科学家此前已经发现，帮助我们定位自己在外部空间中的位置时，海马中的位置细胞依赖的是一套以环境为参照的坐标系统。也就是说，无论我们站在哪里，房间里的某张桌子、某扇门，都拥有固定的坐标。但曹盛浩推测，手部位置细胞可能采用的是一套以身体为中心的相对坐标系。对这些神经元而言，重要的并不是手在整个世界中的绝对位置，而是手相对于身体所处的位置。

但如果大脑同时拥有这两套不同尺度、不同参照系的位置编码系统，它们究竟要如何协同工作呢？曹盛浩猜测，在日常行为中，这两套定位机制可能分别负责行动规划中的不同阶段。比如，当我们想拿起远处桌子上的一个杯子时，大脑首先需要解决一个“大尺度”的问题，用海马中的位置细胞规划应当将身体移动到何处，再用手部位置细胞规划手相对于身体的位置。二者叠加，杯子的位置就在大脑里“显影”了。

脑机接口的下一步，或许是读懂大脑的规划

在研究过程中，曹盛浩越来越意识到，猕猴大脑中的这套定位机制，或许不仅是神经科学领域的突破，也还可能带来应用的变革。余山也表示，虽然他们关注的是大脑如何认识世界、如何与物理世界交互，但这些空间智能的底层原理或许也能用到脑机接口和具身智能上。

对于一个有目的的动作而言，位置其实才是整个行动计划的核心：它关乎我们现在在哪里，要去哪里，以及如何从当前位置抵达目标。但在目前的脑机接口研究中，科学家和企业更多关注的都是运动的“执行”过程，也就是如何让脑机接口设备理解大脑发出的运动指令，并将它们转化为外部设备的具体动作。

以马斯克的脑机接口公司Neuralink为例，当用户使用他们的设备、利用神经信号来控制屏幕上的鼠标光标时，他们需要持续关注光标的位置，并在脑海中想象它下一步应该向哪个方向移动、以怎样的速度移动。脑机接口设备则通过读取运动皮层中的神经活动，将这些信号转换为光标的移动。

但曹盛浩认为，如果脑机接口设备能够同时读取位置信息，或许就能从“执行”层面再往前一步，去理解大脑的“规划”过程。这样一来，设备就不只是被动地执行运动指令，而是有可能更完整地理解用户想要完成的目标。当然，这还只是一个初步的设想。从猕猴大脑中发现的这套机制，距离真正应用到人脑和脑机接口设备上，中间还有很长的路要走。但至少，科学家已经瞥见了大脑定位装置的一角，知道它可能藏在哪里，以及它大致如何工作。