小脑主要参与运动调节？Nature重磅综述详细解答| （长文解析）

　　与新皮层相比，人类小脑的发育时间相对漫长，这提升了罹患神经系统疾病的风险。由于小脑对运动行为的调节至关重要，所以关于大多数小脑的发育障碍疾病伴随运动障碍的后遗症都为。然而，从20世纪80年代末开始收集到的证据表明，小脑参与运动和包括认知和情感在内的非运动功能的调节。

　　最近，有研究表明，智力障碍、自闭症谱系障碍、注意力缺陷多动障碍和唐氏综合症等神经发育疾病与小脑的异常发育均有潜在联系。“小脑连接组”的概念已经出现，这为我们提供了一个将小脑的发育与人类行为、疾病状态和更好的治疗策略联系起来的框架。

　　小脑控制着运动和非运动行为。尽管早已证实童年早期运动功能和智力水平的相关性早已，但复杂的发育性大脑疾病与小脑发育缺陷的相关性最近才被提出。有证据表明，小脑的发育是一个重要的过程，可以调控多种行为的发生。

　　新生儿脑损伤等因素可导致后期整体神经发育不良，而神经发育障碍性疾病（NDDs）所产生的影响可覆盖运动、感觉、认知和情感领域。小脑是细胞分化开始最早的脑内结构之一，也是完全成熟的最晚的结构之一。

　　因此，发育中的小脑易受遗传和表观遗传因素、子宫环境中的毒性、局灶性或整体新生儿脑损伤或上述应激源的某种组合所导致的功能障碍的影响。这种复杂的危险因素在发育过程可导致广泛的细胞、形态和环路异常。

　　小脑与NDDs

　　小脑和大脑皮层之间具有广泛的连接，在环路形成的关键时期，小脑的功能障碍可能进一步导致大脑皮层发育和功能的障碍。且由于NDD通常是根据行为来判定的，因此在研究过程中需要探索小脑环路、小脑-皮层间环路和患者的行为及其对应的神经机制等。

　　本篇综述中，作者关注在小脑发育过程中出现的与复杂大脑疾病之间的联系，并着重于小脑发育异常、小脑-皮层连接改变等因素所导致的运动和非运动功能障碍。

　　哺乳动物的小脑发育

　　本篇综述主要从细胞及环路层面对小脑的发育进行描述，并对比人类与啮齿动物的发育情况进行，包括浦肯野细胞及颗粒细胞（GCs）的形成、分化，小脑皮层及白质的细胞分布、迁移规律等。

　　总而言之，小脑的成熟需经历复杂而漫长的过程，基因或环境等风险因素对于发育中小脑的干扰也相应增加。因此，作者提出，对于复杂大脑疾病的研究，应该将探究小脑发育不同阶段中可导致细胞、生理和行为异常的关键分子及细胞机制作为首要目标。

　　图片1：小脑连接、环路、发育中的重要特点：图a：小脑传入、传出的功能连接；图b：小脑皮层内的解剖和环路连接；图c:人类和啮齿类动物与小脑发育随时间的变化而变化的比较；图d：c图中时间窗内相应细胞层面的改变。

　　小脑发育中的信号机制

　　发育过程中，信号的时空协调作用是小脑特定形状、形态及连接形成的关键。在孕期及产后阶段，Sonic Hedgehog（SHH）信号通路在小脑的发育中都起到了重要的作用，参与了小脑中浦肯野细胞（PCs）、颗粒细胞前体细胞（GCPs）的有丝分裂、分化过程，进而影响小脑褶皱的形成、形状等。SHH信号的中断可导致小脑的形态和结构异常，也可能促使PCs发生改变，但目前其原因尚不清楚。

　　此外，作者也描述了小脑的信息传输环路，例举了最近的研究成果，表明其他分子如神经营养因子等也可调节发育过程中树突和突触等精细结构的形成。这些分子的时空特异性表达正是形成小脑环路的关键。因此，分子机制的改变将导致小脑连接发育中断。

　　小脑易感性的产生

　　“小脑连接组”的发育轨迹可以通过时间、空间因素以及“信息”因素的相互作用来决定。作者列举了这三类因素分别包括的内容，如细胞或突触的发生及迁移时间、环路结构、细胞密度、神经元同步性等多种因素。此外，小脑具有神经发生持续时间长、出生后体积增长迅速、神经元数量多且PCs可有数万个突触等特点。因此，小脑与皮质和皮质下结构均有广泛的连接。

　　由于早产等因素造成的小脑发育中断可影响小脑与皮质的连接，且PC的突触和形态缺陷可能是小脑功能障碍的一个重要特征。作者从细胞水平介绍了PCs的生理特性，表明了PCs易受缺血、缺氧等外部条件的干扰，也易因Ca2+的大量流入而导致损伤。

　　此外，最近的研究结果也表明，基于唐氏综合征患者(DS)系统水平的研究发现同步化缺乏，ASD的前临床模型中突触的损伤都可导致大脑发育缺陷。因此，将小脑发育与疾病联系起来需要对潜在的空间、时间和信息因素有一个完整的理解。

　　图二：“小脑连接组”的特点和依赖因素：图a：“小脑连接组”在时间、空间、信息分子水平的三维发育轨迹；图b：空间因子包括细胞密度、区域体积(由y1和y2定义)和与分泌分子的有效距离(由y3定义)。

　　NDDs中的小脑功能障碍

　　基于fMRI、VBM等影像学技术的研究结果为非正常发育情况下小脑与新皮层及皮层下结构的功能性连接改变提供了的证据。作者对相关研究进行了描述，表明NDDs中，小脑的灰质和白质较正常同龄人相比均发生了变化，这些变化包括体积、细胞密度、结构，而结果可导致运动功能及非运动功能均出现缺陷。

　　图三：小脑发育易感和多感觉整合区：在复杂的脑疾病中某些小脑区域更容易发生异常。左图为自闭症谱系障碍患者（ASD）显示体素(红色)与右边正常发育的对照组相比出现显著结构变化。

　　小脑功能的异常

　　早在1989年，一项利用PET对语言处理进行的开创性研究就已表明，小脑可在语义关联任务，即非运动任务中被激活。最近，几项新的研究表明，认知任务期间小脑的激活独立于运动加工存在，且由小脑缺陷导致的运动性异常可与非运动性异常同时存在。

　　小脑环路的中断

　　·感觉运动处理

　　小脑直接参与运动协调和相关运动学习，此外，越来越多的证据表明小脑是感觉处理环路的关键组成部分。由于颗粒细胞（GCs）和高尔基细胞（GoCs）可接受来自苔状纤维（MF）系统广泛的传入信息，小脑可在视觉、听觉、触觉甚至嗅觉信息等的整合处理中起到重要作用，涉及这一方面的细胞、环路和机制最近才被发现。作者引用了几项对啮齿类动物及人类的运动过程、感觉整合等方面的研究，表明小脑可主动参与感觉及运动信息的整合。

　　有研究者认为，患者出现的语言及社交缺陷是由多感官整合缺陷导致的。最近，对于ASD儿童的研究也表明，多感官整合缺陷可能是由于缺乏对复杂视听刺激（如语言）的不同感官成分之间的时间关系的感知能力。总之，皮质-小脑“连接组”的发育轨迹改变可导致语言和社交缺陷，且这很可能与多感官整合缺陷有关。

　　·区域间形态发生

　　小脑皮层包围着的三对小脑核（顶核、间位核、齿状核）不仅负责小脑的信息传出，还负责接收侧支传入信息。目前，我们对传入信息到达小脑的时机已经有一定程度上的了解，但对小脑核如何投射并与目标建立联系的时机尚不清楚。

　　有研究表明，小脑与丘脑中的神经元分化大约同时开始并持续进行，因此推测早期小脑的缺陷可导致丘脑发育受到影响，最终导致传入大脑皮层的信息发生异常。针对小鼠En-2基因的研究进而为研究丘脑与小脑之间的关系提供了新的素材。若能“绘制”出更为精细的小脑-丘脑核团连接图，则可为相关疾病的治疗提供更精准的靶点。

　　图四：GCs(浅绿色)整合感觉信息(听觉、视觉和躯体感觉)，形成多感觉整合。GoCs(绿色)也参与调节流入小脑的感觉信息。在ASD中，复杂刺激(如言语)的感觉信息整合能力受损。

　　小脑异常的治疗措施

　　研究NDDs可作为研究“小脑连接组”发育轨迹的一个方法，并可为临床干预提供途径。最近的研究旨在探索基于不同刺激模式（侵入和非侵入），探索针对涉及小脑相关疾病的分子信号通路的治疗方法。

　　·非侵入性刺激

　　非侵入性脑刺激技术，如经颅直流电刺激（tDCS），作为治疗小脑功能障碍的方法已经越来越流行。最近的多项研究以证明tDCS治疗可促进患者运动及非运动功能的恢复，对健康个体的平衡、运动等也有提高作用。但对于其对非运动功能改善作用的机制尚不明确。

　　·侵入性刺激

　　脑深部电刺激（DBS）是一种侵入性刺激方法，由于其在临床上的成功率越来越高而受到了持续关注。DBS已被广泛用于涉及小脑功能异常的帕金森（PD）、强迫症（OCD）等病症的缓解。研究者因此提出假设，即刺激小脑可起到对运动功能和非运动功能的改善作用。对肌张力障碍模型小鼠进行的实验结果也支持了这一假设。

　　然而，DBS发挥作用的细胞及环路机制尚不清楚，还需进一步研究以明确DBS功效与发育过程中区域间连接的形成、表达的分子、神经环路等精细机制之间的关系。

　　·分子疗法

　　由于不同复杂的大脑疾病具有不同小脑发育轨迹，因此，针对突触可塑性、发育相关信号等过程中涉及到的特定细胞类型和靶点设计相应的分子疗法至关重要。神经元的活动是基于兴奋性和抑制性信号调节的，因此，分子疗法的目标即为调节兴奋/抑制（E/I）平衡。

　　这段综述以将NMDA受体、GABA系统、K+离子通道、mGluR受体、BDNF和SHH信号通路作为靶点的几类药物为例，对其研究过程和作用机制进行描述，表明了这些药物的有效性。此外，写说明了这些药物的不足之处，仍需要对相关机制进行更广泛、更深入的研究。

　　图五：对小鼠的小脑进行深部脑刺激：图b显示了刺激电极相对于上皮层和邻近小脑核的定位。图c、d示DBS方法在肌张力障碍小鼠模型中，刺激开始后，运动能力立即得到改善。

　　总结与展望

　　有关此领域的开创性研究挑战了小脑主要参与运动行为的这一原有理论，并使人们关注到小脑在非运动方面功能的影响。然而，在发育过程中，小脑对运动和非运动功能状态的控制机制仍不清楚。更重要的是，小脑发育时间长、围产期发育迅速的特点表明了小脑易受到多种因素影响从而导致发育障碍。

　　考虑到小脑和大脑皮层之间形成了丰富的连接网络，关注发育中小脑的易感性尤其关键。影像学、行为学和临床前动物模型研究的证据清楚地表明，小脑发育和小脑-皮质连接的发展是决定儿童精神疾病发病和严重程度的因素。

　　在这里，作者提出“小脑连接组”的发展轨迹，并以此作为一个统一的框架来研究各种复杂的大脑疾病，如ASD、注意力缺陷多动障碍（ADHD）和DS。这个框架整合了导致疾病的空间、时间和信息相关因素的变化。最后，作者回顾了复杂大脑疾病的治疗策略，包括非侵入性、侵入性的治疗方法和分子靶向方法。

　　在发育关键时期中，有关小脑正常发育的基本机制，包括小脑中突触的形成、不同种类细胞间的相互作用等，还有待进行更深入的研究。这种研究方法很有可能揭示出生后小脑发育与E/I平衡转变的精确关键时点。

　　在成人小脑皮层，E/I平衡通过前反馈环路维持，前反馈电路包括来自GCs的兴奋性输入和来自分子层中间神经元和Bergmann胶质细胞的抑制性输入，这些输入将汇集在一起以调节PC神经元的兴奋性。最佳的E/I平衡是导致PC放电的关键因素，进而可影响小脑皮质输出。这种E/I平衡的形成反过来依赖于小脑皮层主要类型细胞之间的突触通讯的发育和完善，以及PC自身的形态和生理特性。

　　维持小脑E/I平衡具有重要意义，若不能维持其的稳定，经MFs完成的多感官整合和小脑-核团-丘脑环路都可能受到影响。我们认为，研究E/I平衡方法问题可将连接问题扩展至更有意义的方面，可将健康和疾病相关脑区E/I平衡图相对应进行比较。例如，在DS的模型鼠-Ts65Dn模型中，GCs表现出超兴奋性，可改变小脑皮层的整体E/I平衡。

　　未来的研究可能会揭示小脑的GC超兴奋性是均匀的还是局限于特定的功能模块或区域。最后，在大多数复杂的大脑疾病中，发育中白质的变化很少受到关注。有证据表明，E/I失衡通过Cl-浓度梯度破坏可导致小脑白质中的细胞和生理变化。

　　最近的证据也表明，发育迟缓—复杂大脑疾病的一个标志—可以通过将E/I平衡转移到正常水平来改善。因此，治疗方向可以指向使用已开发的药物治疗E/I失衡。同时，也应关注发育的过程，尽可能避免药物对神经元和环路产生的不良影响。

　　随着对复杂大脑疾病的环境风险因素的了解越来越多，干预的途径也应适当扩大。早产等因素是ASD和智力缺陷（ID）的主要危险因素之一，患者的小脑也会因此而受到影响，然而，我们对于小脑-皮质连接组在这方面的作用仍然知之甚少。

　　随着新的成像技术、复杂的行为和生理分析以及大规模测序方法的进步，破解小脑的发育密码及其与大脑其他区域的复杂多样的连接是未来神经科学和发育疾病研究中的一条令人兴奋的道路。

　　参考文献：

　　Sathyanesan A, Zhou J, Scafidi J, Heck DH, Sillitoe RV, Gallo V.Emerging connections between cerebellar development, behaviour and complex brain disorders.Nat Rev Neurosci. 2019 May;20(5):298-313. doi: 10.1038/s41583-019-0152-2.

　　作者信息

　　编译：张弃疗（brainnews创作团队成员）

　　校审/排版：Simon（brainnews编辑部）