控制运动的脑区也能引导感觉

早上好，我是脑叔，一个爱聊脑的家伙。

近几十年来，神经科学取得了一系列惊人的进展，但大脑的一个关键部位仍然是一个谜。这个关键部位就是小脑，它的名字来源于拉丁语，意思是“little brain”，它位于大脑的后部，就像一个小面包。这可不是一个小疏忽：小脑包含了大脑四分之三的神经元，这些神经元以近乎结晶的方式排列，与其他地方发现的错综复杂的神经元形成鲜明对比。

百科全书文章和教科书都强调小脑的功能是控制身体运动。毫无疑问，小脑具有这种功能。但科学家们现在怀疑这种长期存在的观点是短视的。

之前，我在参加神经科学学会年会时了解到这一点，这是世界上最大的神经科学家会议。在那里，两位神经科学家组织了一次研讨会，讨论与运动控制无关的小脑新发现的功能。新的实验技术表明，除了控制运动，小脑还调节复杂的行为、社会互动、攻击、工作记忆、学习、情绪等。

主导智慧的裂缝

小脑和运动之间的联系早在19世纪就已为人所知。大脑区域遭受创伤的患者在平衡和运动方面有明显的困难，毫无疑问，它对协调运动至关重要。几十年来，神经科学家对小脑独特的神经回路如何控制运动功能有了详细的了解。对小脑工作原理的解释似乎无懈可击。

然后，1998 年，神经学家在《Brain》杂志上报告了小脑受损患者广泛的情绪和认知障碍。例如，1991 年，一名 22 岁的女大学生在滑冰时摔倒，CT 扫描显示她的小脑中有一个肿瘤。手术切除肿瘤后，她完全变了一个人。这位聪明的大学生失去了熟练书写、心算、说出常见物体名称或复制简单图表的能力。她的情绪变得平淡。她躲在被子里，行为失常，在走廊里脱衣服，像婴儿说话“咿咿呀呀”。她的社交能力，包括识别熟悉面孔的能力也受到了影响。

这个和类似的案例使作者感到困惑。据了解，这些高级认知和情感功能存在于大脑皮层和边缘系统。他们总结道：“小脑的确切作用是什么，以及小脑是如何实现这一作用的，还有待确定。”

尽管从临床研究中得出的这些线索表明，传统观念是错误的，但权威人士仍然坚持认为，小脑的功能是控制运动，除此之外别无其他。加利福尼亚大学戴维斯分校的神经生理学家Diasynou Fioravante是此次会议研讨会的共同组织者，他说：“这有点令人难过，因为(这些病例的报道)已经过去20年了。”

阿尔伯特·爱因斯坦医学院(Albert Einstein College of Medicine)的神经学家斯蒂芬妮·鲁道夫(Stephanie Rudolph)也是这次研讨会的共同组织者，她说，其他神经学家一直都注意到病人的神经精神缺陷。然而，没有确凿的解剖学证据证明小脑独特的神经回路如何调节所报道的心理和情感功能，因此临床报告被忽视了。

现在，对小脑回路的深入了解证明了这些案例研究是正确的，而主流观点则是错误的。

精确布线

小脑中的线路模式被精确地组织和压缩，将大脑四分之三的神经元集中在一个4英寸的脑叶中。小脑中主要的神经元类型被称为浦肯野细胞(Purkinje cell)，它像扇形珊瑚一样具有广泛的分支，但却扁平且几乎是二维的。扇形的叶片是神经元的树突，负责接收传入的信号。这些扁平的神经元是平行排列的，就好像数百万扇珊瑚紧密地堆叠在一起。成千上万的微小神经元运行轴突——大脑的电脉冲传输线——垂直地穿过树突堆叠，就像织布机上的线一样。每个轴突都与成千上万的浦肯野细胞的树突相连。

这种程度的互联性赋予了小脑的500亿个神经元惊人的整合能力。这种回路是小脑独有的，可以处理来自感官的大量传入数据，以调节身体运动。芭蕾舞演员在舞台上跳跃的流畅动作需要小脑快速处理来自所有感官的信息，同时跟踪四肢的变化位置，保持平衡，并绘制身体移动的空间。小脑利用这些动态信息来精确地控制肌肉，并在正确的社会背景下，并在正确的社会背景下，在情绪和动机的驱动下完成这些工作。

神经科学家们现在意识到，小脑中整合身体运动信息的强大神经回路，也使其具备了处理复杂心理过程和行为的能力。

鲁道夫解释说：“比如，现在，我们在研讨会开始前谈话时，你们问问题，我们回答。这是一种复杂的行为。”她需要理解我的话语，形成回应，然后用肌肉来说话。她还必须接受我的肢体语言和其他微妙的信号。她说：“例如，你现在在点头，所以我可以由此得出结论，你在听，而且感兴趣。”

以前，我并没有完全意识到说话所需的运动控制的复杂性。肢体动作不仅包括舌头和嘴唇的复杂动作——发出声音以及调节音高和音量——还包括手势。我们说话是有时间的，这样我们就不会在别人面前说话，而且它们是根据社会环境进行调节的：注入适当的情感，由动机、思想、预期和情绪驱动。

协调这些不同的功能需要利用大脑几乎所有的功能——从在大脑深部区域进行的心率和血压的调节，到由边缘系统执行的感觉和情感信息的处理。它还需要参与大脑前额皮质中最高级别的认知功能，如理解、抑制和决策。

小脑要做到这一点，它必须有跨越整个大脑的连接。到目前为止，这方面的证据还很缺乏，但新技术正在揭示这些通路。

感官输入中枢

仅仅几十年前，当神经解剖学家绘制大脑图谱时，他们无法发现小脑与控制情绪和认知的大脑区域(如边缘系统和前额皮质)之间有任何直接联系。这使他们相信小脑在某种程度上是孤立的，与这些高级认知功能无关。但就像强盗可能会通过更换车辆来躲避追踪者一样，神经信号也可以从一个神经元跳到另一个神经元。这一秘密行动让神经解剖学家们失去了对小脑的追踪。

新的方法使神经解剖学家能够追踪这些从小脑穿过中继点的通路，跟踪它们穿过整个大脑。例如，研究人员可以在神经元中植入某些病毒，以精确观察它们与哪些其他神经元接触。他们通过基因工程让荧光蛋白在神经冲动触发时闪烁，这样他们就能看到神经回路中的流量。它们还可以追踪神经元交流留下的足迹：当神经元放电时产生的蛋白质的外观可以帮助识别在特定行为发生时神经网络中交流的所有细胞。

在研讨会上，研究人员分享了这些新方法揭示出的一系列引人入胜的新发现，展示了他们对小脑不断发展的理解。

亚利桑那州立大学(Arizona State University)的杰西卡·维佩特(Jessica Verpeut)报告的数据描述了小鼠在社交或学习走迷宫时，整个大脑中被激活的复杂而广泛的小脑连接网络。

鲁道夫分享的实验表明，母性行为受到作用于小脑的激素的影响，尤其是促进母性关系的催产素。当这个机制在实验中被破坏时，母鼠就不再照顾她的幼崽了。

明尼苏达大学(University of Minnesota)的Yi-Mei Yang发现，当她破坏某些小脑神经元时，小鼠就会失去与被引入笼子的陌生小鼠接触的兴趣。然而，它们与新奇的无生命物体进行互动和记忆却没有任何困难。这表明小鼠在复杂的社会识别记忆方面存在缺陷，这与自闭症患者的经历类似。

事实上，自闭症患者的小脑通常更小，鹿特丹伊拉斯谟大学医学中心的亚力山德拉·巴杜拉(Aleksandra Badura)提出的新数据表明，小脑与自闭症有关，因为它是感觉输入的中心，尤其是与社会环境有关的信号。

这项新研究超越了对小鼠的研究。德国埃森大学医院的Andreas Thieme介绍了一种新的临床测试方法，用于准确诊断小脑损伤导致的情绪和认知障碍。

这些突破性的新研究表明，小脑除了控制运动外，还调节复杂的社会和情感行为。为了实现这种全局影响力，小脑必须是一个数据处理中心，与整个大脑都有联系。难怪它有这么多神经元。事实上，要完成这种高层次的指挥和控制，它实际上必须是一个小脑。

作者：R. Douglas Fields, Contributing Columnist

参考内容：

https://www.quantamagazine.org/the-part-of-the-brain-that-controls-movement-also-guides-feelings-20240123/

https://www.britannica.com/science/cerebellum

https://academic.oup.com/brain/article/121/4/561/260849?login=false

https://neuroscience.ucdavis.edu/people/diasynou-fioravante

https://einsteinmed.edu/faculty/16553/stephanie-rudolph/

声明：本文版权属于原作者，仅用于学术交流！