數學家通常使用坐標系中的坐標來描述空間中的位置。但我們的大腦是如何做到這一點的呢?人們早就知道，在某些大腦區(qū)域中，手臂運動的目標是相對于我們的視線進行編碼的，在其他大腦區(qū)域中，手臂運動的目標是相對于我們手的當前位置進行編碼的，但無論如何，手臂運動的目標始終是相對于我們自己的身體進行編碼的。但這總是適用的嗎?德國靈長類動物中心 (DPZ) – 哥廷根萊布尼茨靈長類動物研究所的神經科學家研究了手臂運動的目標在靈長類動物大腦中的空間編碼方式。他們訓練兩只恒河猴伸手觸摸觸摸屏上的不同目標位置，同時測量它們大腦中參與計劃和執(zhí)行手臂運動的神經細胞的活動。研究人員發(fā)現，同一個大腦區(qū)域，甚至同一個神經細胞，可以根據手頭任務的要求，在不同的空間參考系統中編碼運動的目標。神經細胞活動不僅反映目標相對于自身身體的位置，還反映目標相對于其他物體的位置。因此，空間信息的處理與大腦區(qū)域無關，而是認知需求的問題，并且可以動態(tài)調整。這些發(fā)現與神經假體的開發(fā)等相關，因為對于神經假體的控制來說，從大腦讀取的信息必須在正確的空間參考系統中進行解釋(《自然通訊》)。

周六晚上，在一個參加人數眾多的單口派對上。服務員將一盤盤開胃菜放在客人的頭頂上。我們在其中一個盤子上看到了甜甜圈，并在幾秒鐘內決定選擇最右邊的那個。但隨后，女服務員短暫地從我們的視野中消失了，然后又出現在其他地方。我們的手臂怎么知道該伸手去拿甜甜圈呢?相對于我們的身體，我們最喜歡的甜甜圈在此期間改變了位置。然而，相對于放置甜甜圈的托盤，它的位置保持不變。我們的大腦可以利用這一事實嗎?我們的大腦如何以及在哪里處理不同的空間信息，以便能夠成功地執(zhí)行有針對性的動作，比如伸手去拿甜甜圈?

如果我們想象一個空間坐標系，它的原點或零點可以與身體相關(注視方向、手、手臂、身體中心的位置)，也可以與物體相關(物體在空間中的位置、大小或方向)。到目前為止，人們一直認為，在將手指向最喜歡的甜甜圈時，只有與身體相關的參考系統在大腦的不同區(qū)域進行處理，而不是與物體相關的參考系統，并且只有與身體相關的參考系統在手臂運動規(guī)劃中發(fā)揮作用。

德國靈長類動物中心感覺運動研究小組的一項研究表明，這種經典模型需要重新評估。為了找出目標導向運動規(guī)劃的基礎坐標系，他們訓練了兩只恒河猴，讓它們記住觸摸屏上的運動目標，以便日后可以觸及它們。猴子首先在屏幕上看到一個由五個相鄰的小方塊組成的物體，這些小方塊由一條線水平連接(上例中的“托盤”)。下一步，方塊消失了，猴子看到一個目標點，它位于其中一個方塊之前可見的位置，例如從右邊數第二個方塊(首選甜甜圈的位置)。然后點消失了，短暫的停頓后，五個方塊重新出現，但在屏幕上向右移動了一點。現在要求猴子觸摸它們之前看到目標點的方塊，即從右邊數第二個方塊，盡管它在屏幕上比以前更靠右。當猴子執(zhí)行任務時，測量了它們大腦中負責規(guī)劃和執(zhí)行目標手臂運動區(qū)域的神經細胞的活動。

“實驗結果讓我們感到驚訝，”這項研究的第一作者 Bahareh Taghizadeh 說道。“與預期相反，我們發(fā)現，與身體和物體相關的空間參考系統都可以在同一個大腦區(qū)域中檢測到，并且這些空間參考系統也由相同的神經細胞處理，并根據認知需求進行動態(tài)調整。”研究人員在大腦的頂葉和額葉中都發(fā)現了具有這種靈活空間編碼的大腦區(qū)域。

對于甜甜圈托盤而言，這意味著只要我們的大腦只處理我們想要正確的甜甜圈的信息，這就會發(fā)生在與物體相關的坐標系中，即相對于托盤，而與我們自己在空間中的位置或視線無關。然而，從我們真正計劃伸手去拿糕點的那一刻起，它的位置就相對于我們自己的身體進行了編碼。

這些結果不僅對我們了解大腦功能有重要意義，而且對神經假體的開發(fā)也有重要意義。神經細胞的活動決定了運動假體計劃朝哪個目標運動。“如果要控制機械臂，那么有關手臂在空間中向上向右移動的位置的信息至關重要，”感覺運動研究小組和這項研究的負責人亞歷山大·蓋爾解釋說。“正確的控制在很大程度上取決于在正確的坐標系中描述運動。”未來的研究應該闡明在這些大腦區(qū)域中，由周圍空間定義的坐標系是否以及在多大程度上在人穿過房間時規(guī)劃運動方面發(fā)揮作用。