Nat. Neurosci丨新研究重塑运动皮层角色！小鼠攀爬行为揭示运动皮层对肌肉活动的选择性直接调控

当一只小鼠灵活地攀爬过杂乱的树枝时，它的爪子如何精准抓住每一个支撑点、四肢肌肉如何默契配合调整姿势？这背后，大脑里的 “运动指挥官”—— 运动皮层，正通过复杂的神经信号指挥着肌肉活动。

长久以来，科学家们都知道运动皮层对运动至关重要：没有它，我们甚至无法完成抬手、抓握这样的基础动作。但这个 “指挥官” 究竟是怎么工作的？它是像操控木偶一样，直接决定所有肌肉的活动模式，还是只在关键时刻 “搭把手”，帮其他运动系统调整细节？更让人好奇的是，运动皮层发出的信号，是直接针对肌肉 “发号施令”，还是先规划好肢体的运动轨迹（比如 “爪子要抬到 10 厘米高”），再让肌肉去执行？

2025年11月6日，来自美国西北大学的Natalie Koh及其研究团队做了一项专门研究，标题为《Selective direct influence of motor cortex on limb muscle activity during naturalistic climbing in mice》，相关成果发表在《nature neuroscience》期刊上。本研究通过对小鼠自然攀爬行为中运动皮层直接影响肌肉活动的系统探究，揭示了运动皮层的选择性指令作用。这些结果表明，在符合自然行为学的运动任务中，小鼠运动皮层通过独特的神经活动子空间选择性地指导肌肉活动，这与之前认为直接参与运动输出的子空间不同，为理解运动控制的神经机制提供了新的视角。

实验方法与范式建立

首先，研究人员设计了符合小鼠自然运动的头部固定攀爬范式：头部固定的小鼠在一个轮盘上攀爬，轮盘上有一系列径向延伸的握点。右侧握点在旋转 180° 后会被线性致动器随机移动到新的中外侧位置，左侧握点保持固定，确保小鼠攀爬的右侧握点序列不可预测，需要实时利用感官信息引导右肢运动。限水的小鼠通过在一小时的日常会话中间歇性攀爬获得水奖励，右侧握点中外侧位置的变化导致右前肢伸展方向变化，小鼠会表现出多种身体姿势。

范式稳定性评估：对小鼠攀爬表现的评估显示，在小鼠适应头部固定和学会攀爬与奖励的关联后，其攀爬时间占比、攀爬速度和攀爬回合距离在不同会话中变化不大。通过计算前 20 次攀爬会话中四块右前肢肌肉活动的前两个主成分之间的主角度，发现第一主角度普遍较低，且没有迹象表明随着会话距离增加肌肉活动会逐渐变得不同。肌肉活动和肢体运动学的刻板性在会话过程中也没有明显增加，表明小鼠在开始为奖励攀爬后，没有逐渐形成针对该范式的特定攀爬技能，肌肉活动也没有在会话间逐步变化，该攀爬范式与那些通过反复训练变得越来越熟练和刻板的任务不同。

运动皮层对肌肉活动的选择性影响

在小鼠主动攀爬时，研究人员随机、短暂地失活左侧尾侧前肢区域（CFA，前肢初级运动皮层 + 初级躯体感觉皮层）。为了全面评估不同肌肉活动状态下 CFA 的影响，研究人员利用UMAP将肌肉活动状态映射到二维空间。在地图上定义网格，计算每个网格点上失活和对照试验的平均肌肉活动，量化失活效应大小，并通过重采样对照试验计算每个网格点效应大小的 P 值。

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对 P 值分布的分析显示，大量网格点的无效假设不成立，表明 CFA 对肌肉的直接影响特定于一部分肌肉活动状态，支持 CFA 选择性影响肌肉活动特定成分的观点。

2D 自相关分析表明，失活效应图的自相关显著高于对照图，且不同肌肉之间 CFA 影响的强度存在显著差异。CFA 对肘部屈肌和腕部伸肌的影响更为显著，这两种肌肉可归为生理性屈肌，其在运动和屈反射中会共同激活。此外，生理性屈肌的失活效应图相关性更高，表明这些肌肉受到更协调的控制。总体而言，CFA 在不同肌肉活动状态下对肌肉的影响程度不同，主要通过选择性激活生理性屈肌发挥作用。

运动皮层影响与肢体运动学的弱相关性

为探究 CFA 是否通过指示肢体运动学来控制肌肉，研究人员使用 UMAP 生成了基于前肢位点水平和垂直位置的二维运动学状态图。通过量化 CFA 失活对各前肢肌肉在运动学状态图网格点上的影响，发现效应大小分布虽与对照有偏差，但 P 值分布几乎没有向零倾斜，表明仅在少数网格点上有可识别的效应。这表明CFA 对肌肉的影响与前肢方向的相关性远不如与肌肉活动状态的相关性强。

对肩部、肘部、腕部和手指位点位置的失活效应分析显示，尽管效应大小分布与对照有偏差，但 P 值分布同样几乎没有向零倾斜，表明CFA 失活对肢体运动学本身的影响有限。

进一步分析发现，在攀爬这种适应性、非刻板的运动行为中，肌肉活动和肢体运动学之间的线性相关性并不一致。通过计算 150 毫秒时期内两者的相关性，发现相关值分布广泛，且肌肉活动状态图上的邻近性仅能弱预测相应肢体运动学状态的邻近性，反之亦然。这种肌肉活动与肢体运动学的解耦有助于揭示 CFA 的影响并非由肢体方向很好地组织，支持 CFA 输出直接指定肌肉活动而非肢体方向的观点。

运动皮层神经元放电模式与神经子空间分析

使用神经像素记录了三只小鼠 CFA 神经元在不同皮层层的放电情况，发现大多数宽波形和窄波形单元在肢体肌肉活动期间的放电率高于所有记录肌肉静止的时期，超过 80% 的记录单元的放电率时间序列与至少一块肌肉的活动显著相关。

通过将神经记录期间的肌肉活动状态向量嵌入到失活效应量化所用的状态图中，为每个神经元生成了神经活动图。结果发现许多神经元的放电在地图上具有一定的稀疏性，即主要集中在地图的子区域，而在其他区域则大部分或完全没有放电。通过稀疏性指数量化表明，即使是中等稀疏性的神经元，其放电也主要集中在地图的子区域。稀疏性与攀爬期间的平均放电率仅呈弱相关，且不同皮层层的神经活动图没有显著差异，表明 CFA 神经元在攀爬过程中，不同皮层层的大量神经元主要在有限的肌肉活动状态范围内放电，其放电携带了按相似性组织的肌肉活动状态信息。

神经子空间识别与比较

为识别与 CFA 影响相关的神经活动成分，研究人员结合奇异值分解（SVD）和典型相关分析（CCA），将神经活动图与失活效应图对齐。结果显示，神经和失活效应的典型变量高度相关，失活效应变量捕获了大量的失活效应方差，且每个失活效应变量都捕获了相当数量的额外方差。对单个肌肉的分析也发现，CFA 活动成分与每个肌肉的失活效应高度相关。

为比较影响子空间与肌肉活动和肢体运动学相关子空间的相似性，研究人员分别识别了与肌肉活动和肢体运动学对齐的神经子空间。通过比较不同类型和相同类型子空间之间的重叠度，发现不同类型子空间之间的重叠度远低于相同类型，表明影响子空间与肌肉活动子空间部分重叠但不完全一致，而与肢体运动学子空间几乎没有重叠。

总结

本研究通过对小鼠自然攀爬行为中运动皮层直接影响肌肉活动的系统探究，揭示了运动皮层的选择性指令作用。CFA 在特定肌肉活动状态下选择性激活生理性屈肌，对其拮抗肌的激活或抑制则较少发生。大量 CFA 神经元主要在相似肌肉活动状态的子集下放电，且存在一个与 CFA 影响对齐的独特神经活动子空间，该子空间与肌肉活动相关子空间部分重叠，但与肢体运动学相关子空间几乎完全分离。

这些结果表明，在符合自然行为学的运动任务中，小鼠运动皮层通过独特的神经活动子空间选择性地指导肌肉活动，这与之前认为直接参与运动输出的子空间不同，为理解运动控制的神经机制提供了新的视角。未来研究需要进一步探究这些发现对其他哺乳动物（包括灵长类）的普适性，以及更精细的运动学特征与 CFA 直接影响的相关性。

https://doi.org/10.1038/s41593-025-02093-z

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