中国日报11月15日电 就在不久前，Neuralink披露其植入在运动皮层的脑机接口实现了11.32比特/秒的光标控制峰值信息传输率，部分参与者还可以操控光标"瞬移"，他们不再需要控制光标的移动过程，而是可以通过脑控让光标瞬间直达目标。这一工程进展说明运动皮层里藏着更加高效的控制信息。不过，这样的信息是怎么编码的，又如何能加以利用，Neuralink的报告没有回答，这需要回到神经编码的基本原理中去。

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于神经科学权威期刊《Journal of Neuroscience》的一项研究填补了这一认知。

这一研究揭示了猕猴初级运动皮层（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。研究发现，大脑不仅编码"怎么动"，还维护着一张类似GPS的"三维手位置地图"。更重要的是，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，这为更高效的新一代脑机接口提供了坚实的神经科学依据。

两个脑区中的"导航"地图

在以往的运动皮层研究中，实验往往将猕猴的运动范围限于少量离散位置，导致手的位置和运动方向高度相关，不容易分辨神经元究竟在编码什么。

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，猕猴可以完全自由地决定何时伸手、伸向何处。这种设计使得同一空间位置可以被不同轨迹、不同方向反复经过，从而在统计上自然解耦了"位置"与"方向"。

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，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，以及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。

进一步分析显示，这些神经元的位置编码方式并非早期研究认为的"线性梯度"（即放电率随空间单调增减），而是呈现为局域化的"拉长的椭球体"，三维高斯模型显著优于平面梯度模型的拟合结果。

更令研究者意外的是，M1和PMd这两张"地图"的组织方式截然不同。M1的位置场系统性地沿空间主轴（前后、上下、左右）排列，并呈现出多尺度聚集的特征（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。研究者推测，这种差异反映了两个脑区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，而PMd参与更高层运动规划，表征结构更加抽象。

少数细胞即可解码三维轨迹

对脑机接口而言，该研究最具直接价值的结果来自解码实验。研究团队分别以三组神经元解码手运动的三维轨迹，即全部细胞、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，达到了全群体解码性能的94.1%；在M1中，占32.8%的位置细胞，达到了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仅需约16.4个。这些发现印证了大脑编码的极高效率，"少而精"的神经元群即可支撑高精度的空间解码。

除了对于实时手位置有编码，研究团队还发现了运动皮层中也存在对于抓取目标位置的编码，说明同样的一套"导航地图"不仅可以用于解码运动轨迹，还可以直接解码运动目标的位置。传统上，运动脑机接口控制需要解码运动方向、速度信心，从而进行运动过程的控制，这使得解码时间延长、认知负荷提高。运动皮层中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。

系列研究勾勒"脑内GPS"全貌

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，团队已在《Nature Communications》发表论文，在PMd中首次发现了手位置场（position fields），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。当前这篇《Journal of Neuroscience》论文将研究从PMd扩展到M1+PMd，并对三维空间中的位置编码组织方式进行了系统解析，完成了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。

据研究团队透露，该系列工作的第三篇论文正在准备中，将进一步探索PMd的时空维度，把"空间编码"升级为"时空编码"。即一条运动轨迹包含过去、当下和未来的手位置，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，从而更加高效的执行。

从"读位置"到"读意图"

论文第一作者、中国科学院自动化研究所博士曹盛浩在接受采访时表示，"相较于繁琐的执行过程，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，不仅能让外部设备的控制更顺滑，还能大幅降低对硬件通道的依赖。"

论文通讯作者、中国科学院自动化研究所研究员、脑图谱与类脑智能实验室主任余山指出，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，"我们对大脑理解的越深，脑机接口的效能就可以发挥得越好"。

从破译大脑里那张精密的"手位置GPS"地图，到理解大脑如何规划行动，这项研究正在为脑机接口的底层解码策略提供坚实的科学依据。

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