腦科學(xué)研究者正在揭示預(yù)測性運(yùn)動(dòng)控制神經(jīng)機(jī)制，以腦科學(xué)基礎(chǔ)研究支持人工智能發(fā)展并促進(jìn)兩大領(lǐng)域的深度融合。

最近，在國家自然科學(xué)基金（項(xiàng)目號：31671075）的支持下，中國科學(xué)院神經(jīng)科學(xué)研究所和腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心崔翯研究組在《神經(jīng)生理學(xué)》（Journal of Neurophysiology）雜志上發(fā)表論文顯示，研究人員通過訓(xùn)練獼猴完成自由式攔截手動(dòng)成功建立起預(yù)測性運(yùn)動(dòng)的行為學(xué)范式。

國外科學(xué)家研制的腦機(jī)接口

在潘多拉星球，下身癱瘓的前海軍戰(zhàn)士杰克·薩利頭戴復(fù)雜的設(shè)備，躺在密封艙中，用意念控制阿凡達(dá)的運(yùn)動(dòng)——電影《阿凡達(dá)》中呈現(xiàn)了意念控制的一個(gè)經(jīng)典橋段。

現(xiàn)實(shí)中，意念操控的黑科技也許不再是夢想。腦科學(xué)研究者正在揭示預(yù)測性運(yùn)動(dòng)控制神經(jīng)機(jī)制，以腦科學(xué)基礎(chǔ)研究支持人工智能發(fā)展并促進(jìn)兩大領(lǐng)域的深度融合。最近，在國家自然科學(xué)基金（項(xiàng)目號：31671075）的支持下，中國科學(xué)院神經(jīng)科學(xué)研究所和腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心崔翯研究組在《神經(jīng)生理學(xué)》（Journal of Neurophysiology）雜志上發(fā)表論文顯示，研究人員通過訓(xùn)練獼猴完成自由式攔截手動(dòng)成功建立起預(yù)測性運(yùn)動(dòng)的行為學(xué)范式。

“這是我們整個(gè)計(jì)劃的第一步，未來我們將進(jìn)一步研究靈長類大腦皮層中各腦區(qū)在預(yù)測性運(yùn)動(dòng)控制中的作用?！贝蘼G告訴《中國科學(xué)報(bào)》記者。

預(yù)測運(yùn)動(dòng)的后頂葉皮層

預(yù)測是大腦的重要功能和智能的重要基礎(chǔ)。已有的神經(jīng)科學(xué)研究認(rèn)為，靈長類動(dòng)物的大腦對運(yùn)動(dòng)的控制是基于內(nèi)部建模機(jī)制對未來感覺結(jié)果的預(yù)測，而不簡單是對外部刺激的反射。崔翯打了一個(gè)形象的比喻：當(dāng)人和猴子走進(jìn)回轉(zhuǎn)壽司餐廳，他們的大腦能夠在對運(yùn)動(dòng)目標(biāo)預(yù)判的基礎(chǔ)上啟動(dòng)預(yù)先設(shè)定一套程序以控制手臂運(yùn)動(dòng)來準(zhǔn)確拿到傳送帶上的壽司。

大腦后頂葉承擔(dān)了使用感覺信息精確引導(dǎo)行為的任務(wù)。不過，這一過程的神經(jīng)機(jī)制依然不清楚。近年來，崔翯和同事們啟動(dòng)了圍繞后頂葉的研究。“想弄清楚神經(jīng)元的工作是編碼了高度處理后的感覺信息還是抽象層次的運(yùn)動(dòng)參數(shù)。”崔翯表示。

目前感覺運(yùn)動(dòng)神經(jīng)生理學(xué)領(lǐng)域的絕大多數(shù)學(xué)者研究了動(dòng)物對靜止目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)反應(yīng)，這種方法不能夠判斷所觀測到的神經(jīng)活動(dòng)反映的是簡單的感覺刺激反應(yīng)還是對未來狀態(tài)的預(yù)測。為彌補(bǔ)這一缺陷，崔翯團(tuán)隊(duì)在上述發(fā)表在《神經(jīng)生理學(xué)》雜志上的研究中，訓(xùn)練猴子通過手臂運(yùn)動(dòng)在自主選擇的位置攔截移動(dòng)的目標(biāo)體。實(shí)驗(yàn)證明了手動(dòng)攔截的預(yù)測性，“啟動(dòng)手動(dòng)的時(shí)候，大腦不是奔著當(dāng)時(shí)目標(biāo)的位置去指揮手動(dòng)，而已經(jīng)準(zhǔn)確預(yù)測手動(dòng)到什么位置能和移動(dòng)目標(biāo)相遇?！?/p>

因此，這套行為學(xué)范式克服了傳統(tǒng)神經(jīng)電生理研究的缺陷，為開展進(jìn)一步研究預(yù)測性運(yùn)動(dòng)控制提供了理想的行為學(xué)范式。

運(yùn)動(dòng)神經(jīng)解碼與動(dòng)態(tài)環(huán)境下的腦機(jī)接口

崔翯介紹，在上述實(shí)驗(yàn)中，研究人員還記錄了猴子手臂的運(yùn)動(dòng)軌跡和神經(jīng)元活動(dòng)，以期建立二者之間的函數(shù)關(guān)系。目前，他們已經(jīng)記錄了上百個(gè)神經(jīng)元活動(dòng)，發(fā)現(xiàn)了大腦中預(yù)測性運(yùn)動(dòng)控制的信號。同時(shí)實(shí)現(xiàn)了離線狀態(tài)下的神經(jīng)解碼，即通過后期數(shù)據(jù)讀取大腦運(yùn)動(dòng)控制信號來驅(qū)動(dòng)屏幕上光標(biāo)和機(jī)械手臂的運(yùn)動(dòng)。

按照計(jì)劃，崔翯課題組將在明后年開展一系列實(shí)驗(yàn)，希望通過對獲取的大腦如何預(yù)測和規(guī)劃運(yùn)動(dòng)的神經(jīng)元活動(dòng)大數(shù)據(jù)集的深度建模分析，從了解大腦如何工作到描述大腦如何工作，最終實(shí)現(xiàn)模擬大腦如何工作。

“有望明年實(shí)現(xiàn)在線狀態(tài)下的大腦實(shí)時(shí)控制，實(shí)現(xiàn)利用解碼的神經(jīng)信號驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂來擊打運(yùn)動(dòng)目標(biāo)。”他說。

在科學(xué)家們看來，這項(xiàng)圍繞解碼大腦皮層預(yù)測性運(yùn)動(dòng)控制的基礎(chǔ)研究將為腦機(jī)接口和神經(jīng)義肢開發(fā)奠定神經(jīng)生理學(xué)基礎(chǔ)。目前開發(fā)的腦機(jī)接口終端效應(yīng)器均由大腦信號通過感覺反饋直接即時(shí)驅(qū)動(dòng)而非對大腦整套運(yùn)動(dòng)程序的預(yù)測性解碼，沒有利用大腦對運(yùn)動(dòng)“前饋控制”的基本原理，所以只能實(shí)現(xiàn)對靜態(tài)目標(biāo)的抓取卻無法應(yīng)對動(dòng)態(tài)環(huán)境。

基于預(yù)測性運(yùn)動(dòng)控制原理的腦機(jī)接口研發(fā)，將通過將高密度神經(jīng)電極植入，解碼人的神經(jīng)活動(dòng)，通過意念驅(qū)動(dòng)機(jī)械手臂，實(shí)現(xiàn)自然環(huán)境下動(dòng)態(tài)目標(biāo)的抓取，幫助運(yùn)動(dòng)障礙病患改善生活。

科學(xué)基金給予幫助

崔翯開展的研究，離不開國家自然科學(xué)基金的支持。2016年初，崔翯一回國便申請了國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目。

“科學(xué)基金公平、公正，代表了國內(nèi)資助基礎(chǔ)研究、引導(dǎo)基礎(chǔ)研究的最高水平?！贝蘼G表示。

一年多來，科學(xué)基金不僅給崔翯的科研工作提供了保障，更是一種榮譽(yù)和鼓勵(lì)?！皣易匀豢茖W(xué)基金委員會(huì)（以下簡稱基金委）是我國資助基礎(chǔ)研究最大的機(jī)構(gòu)，能夠獲得來自基金委的資助意味著研究工作得到一定程度的肯定?！?/p>

崔翯希望，未來，科學(xué)基金能夠給予這一領(lǐng)域更大力度、更長時(shí)間尺度的實(shí)質(zhì)性支持，讓科學(xué)家在后續(xù)有關(guān)運(yùn)動(dòng)神經(jīng)控制的基礎(chǔ)研究中取得突破性進(jìn)展。