从人手到机械手：脑机接口记录单神经元，揭示大脑如何“看懂”动作

当人们其他人手执行动作时，大脑运动皮层究竟会如何响应？观察机械手执行动作时，大脑运动皮层又会如何响应？

过去，科学家发现大脑运动皮层的神经活动并不只发生在人们亲自执行动作时。那些与动作相关的神经元——例如参与控制伸手抓取物体的神经元——在人们观察他人执行类似动作时，同样可能产生放电活动。

这种“观察动作时也会激活”的神经现象，构成了“镜像神经元”概念的重要基础，并被认为可能参与人类及其他灵长类动物的动作理解和运动学习。

最近，由布朗大学、麻省总医院布莱根神经技术与神经康复中心，以及退伍军人事务部神经修复与神经技术中心的神经科学家共同开展的一项研究对这种观察性运动活动的工作机制有了新的认识。

该项研究成果发表在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上，研究结果表明，观察动作时产生的神经活动，可能并不是由一小群高度特化、只在观察人类动作时激活的“镜像神经元”单独驱动，而更像是一种网络层面的现象：多个神经元共同参与，并根据不同视觉刺激表现出程度不同的响应。

研究人员雅各布·古斯曼（Jacob Gusman）表示：“这项研究最初的主要动机，是了解视觉反馈会如何影响人们利用脑机接口控制不同外部设备——比如计算机光标或辅助机器人——的能力。”

意外之喜是，通过这次实验观察并回答了一些围绕‘镜像神经元’概念的基础神经科学问题。

并非由少数特化细胞驱动

研究人员与两名四肢瘫痪受试者开展了实验。作为 BrainGate 临床试验的一部分，两名受试者均通过手术在大脑运动皮层植入了微型电极阵列。

当受试者尝试或想象进行肢体动作时，这些电极阵列能够记录运动皮层中单个神经元的活动。通过解码这些脑信号，研究人员可以进一步将神经活动转化为对外部设备的控制指令，使受试者仅通过尝试运动或说话，就有可能操控机械臂、计算机以及其他辅助设备。

此次研究设计了多组实验，用于观察运动皮层如何响应视觉中出现的动作。

其中一组实验中，受试者观看了模拟手部动作的动画，内容包括捏握（pinch grip）和强力抓握（power grip）等简单抓握任务。

最新研究表明，当人观看某项动作时所产生的神经活动，与执行该动作的主体的人类特征程度有关。

执行这些动作的“效应器”（effectors），也就是实际完成动作的主体，在外观上的拟人程度逐级降低：包括逼真的人手、拟人化机械手、三指机械爪，以及一个明显不具有人形特征的立方体。

与此同时，脑机接口系统持续记录受试者观看不同动画时的运动皮层神经活动。

结果显示，效应器越接近真实人手，引发的观察性神经活动越强；随着拟人程度下降，相应神经反应也逐步减弱。

这种规律同时出现在两个尺度上。

在神经网络层面，动作主体越拟人，被激活并产生放电的神经元数量越多；而在单神经元层面，刺激越接近真实人手，部分神经元的放电速率也越高。

“这说明，观察所引发的神经活动并不是由一类特化的‘镜像神经元’单独驱动的。”古斯曼表示，“它更像是一种网络效应，而且对观察刺激的拟人程度非常敏感。”

不过，当研究人员要求参与者一边观察这些效应器，一边主动尝试完成相同的抓握动作时，结果出现了变化。

在这种情况下，无论屏幕上的效应器看起来多么接近真实人手，它们所对应的整体神经活动水平都大致相似。

研究人员认为，这说明当一个人主动尝试执行动作时，运动皮层内部与“动作执行意图”相关的神经信号，会明显强于单纯观察动作产生的信号。

换句话说，一旦人真正开始尝试控制一个外部设备，这个设备究竟长得像不像真实的人手，可能就没有单纯观察时那么重要。

“顿悟”时刻

在第二组实验中，研究人员进一步使用了由点阵构成的人手动画，结果再次验证了此前关于“效应器外形”的发现。

相比稀疏、形态模糊、难以直接识别的点阵动画，那些更容易被识别为“人手”的高保真点阵图案，会引发更强的观察性神经反应。

但这组实验还意外揭示了观察性神经活动背后的另一层因素——认知和理解本身，可能也会改变运动皮层的反应。

在一次探索性实验中，一名参与者最初并不知道屏幕上的抽象点阵动画具体代表什么。随后，他突然意识到这些点实际上构成了一只正在运动的人手。

这个顿悟瞬间为研究人员提供了一个十分特殊的观察窗口。

他们得以比较同一个人在“意识到这是人手”之前和之后，面对相同或相似视觉刺激时的神经活动变化。

结果发现，在参与者完成这一认知转换之后，无论动画本身的拟人程度高低，运动皮层中的观察性神经活动整体都出现了增强。这意味着，运动皮层对观察动作的反应，并不仅仅取决于眼睛接收到的视觉特征。

人是否理解眼前的图像“代表一只手”，同样可能改变大脑对这些动作信息的处理方式。

古斯曼表示：“至少对于这位参与者而言，当他意识到这种点阵刺激实际上类似于人手时，似乎触发了运动皮层中对应手部区域更明显的反应。这至少说明，除了自下而上的视觉输入之外，自上而下的背景信息和认知线索，也可能参与这种‘镜像式’神经反应的形成。”

研究人员认为，这项工作一方面能够帮助研究者进一步理解大脑如何处理和表征观察到的动作；另一方面，对于脑机接口而言，它也提出了一个现实问题：当用户通过脑信号控制光标、机械臂或其他辅助设备时，设备呈现出的视觉形态和反馈方式，可能会影响运动皮层中的神经活动。

因此，未来脑控辅助设备的设计或许不仅需要考虑“如何准确解码运动意图”，还需要进一步理解视觉反馈、动作主体形态以及用户认知之间的相互作用。

参考来源：

https://www.brown.edu/news/2026-09-23/braingate-mirror-neurons

https://www.pnas.org/doi/epdf/10.1073/pnas.2537457123

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