大脑中控制运动的部分也引导感觉广达杂志

近几十年来，神经科学取得了一些惊人的进展，但大脑的一个关键部分仍然是个谜。我指的是小脑，它的名字来源于拉丁语，意思是“小大脑”，它位于大脑后部，就像一个发髻。这是一个不小的疏忽：小脑包含大脑所有神经元的四分之三，这些神经元的组织方式几乎是水晶状的，与其他地方发现的错综复杂的神经元形成鲜明对比。

百科文章 教科书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。但科学家现在怀疑这种长期存在的观点是短视的。

大约是我去年 11 月在华盛顿特区参加会议时了解到的 神经科学学会年会，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 座谈会 关于新发现的与运动控制无关的小脑功能。新的实验技术表明，除了控制运动之外，小脑还调节复杂的行为、社交互动、攻击性、工作记忆、学习、情绪等。

主导智慧的裂缝

小脑与运动之间的联系自 19 世纪以来就为人所知。大脑区域遭受创伤的患者在平衡和运动方面存在明显的困难，毫无疑问这对于协调运动至关重要。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。关于小脑如何工作的解释似乎无懈可击。

然后，1998年，在杂志上 大脑, 神经科医生报道 广泛的情感和认知障碍 小脑受损的患者。例如，1991年，一名22岁的女大学生滑冰时摔倒； CT 扫描显示她的小脑有肿瘤。手术切除后，她就完全变了一个人。这位聪明的大学生失去了熟练写作、心算、说出常见物体名称或复制简单图表的能力。她的心情变得平淡。她躲在被子里，行为不检点，在走廊里脱衣服，说着儿语。她的社交互动，包括识别熟悉的面孔，也受到了损害。

这个案例和类似的案例让作者感到困惑。这些高级认知和情感功能被认为存在于大脑皮层和边缘系统中。他们总结道：“小脑的确切作用是什么，以及小脑如何实现这一作用，还有待确定。”

尽管临床研究的这些线索表明传统观点是错误的，但主要权威仍然坚持认为小脑的功能是控制运动，仅此而已。 “这有点令人难过，因为[这些病例被报道以来]已经过去了 20 年，”说 迪亚西努·菲奥拉万特加州大学戴维斯分校的神经生理学家，是这次会议研讨会的共同组织者。

这位神经科学家说，其他神经科医生一直注意到他们的患者存在神经精神缺陷 斯蒂芬妮·鲁道夫 阿尔伯特·爱因斯坦医学院的教授与菲奥拉万特共同组织了这次研讨会。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告的心理和情绪功能，因此临床报告被忽视了。

现在，对小脑回路的更好理解正在证明这些案例研究是正确的，而主流观点是错误的。

精密接线

小脑的布线模式 经过精确组织和压缩，将大脑四分之三的神经元集中到一个 4 英寸的脑叶中。小脑中的主要神经元类型称为浦肯野细胞，像扇形珊瑚一样广泛分支，但扁平且几乎是二维的。风扇的叶片是神经元的树突，它接收传入的信号。这些扁平的神经元平行排列，就像数百万扇珊瑚紧密地堆叠在一起。数以千计的微小神经元垂直穿过树突堆，就像织布机中的线一样，轴突（大脑的电脉冲传输电缆）运行。每个轴突都与数以万计的浦肯野细胞的树突相连。

这种程度的互连性赋予小脑 50 亿个神经元惊人的整合能力。这种小脑特有的电路可以处理来自感官的大量传入数据来调节身体运动。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，同时跟踪四肢位置的变化，保持平衡，并绘制身体移动的空间。小脑利用这些动态信息以精确的时间控制肌肉，并在正确的社会背景下、在情感和动机的驱动下进行控制。

菲奥拉万特和鲁道夫告诉我，神经科学家现在意识到，小脑中整合身体运动信息的强大神经回路也使其能够处理复杂的心理过程和行为。

“例如，现在，”鲁道夫在研讨会开始前交谈时解释道，“你提出问题，我们给出答案。这是一种复杂的行为。”她需要理解我的讲话，制定回应，然后使用肌肉来表达单词。她还必须接受我的肢体语言和其他微妙的信号。 “例如，你现在正在点头，因此我可以得出结论，你正在听并且感兴趣，”她说。

我之前并没有完全理解语音所需的运动控制的复杂性。身体动作不仅包括舌头和嘴唇的复杂体操——发出声音以及调整音调和音量——还包括手势。我们的说话是有时间限制的，这样我们就不会影响对方，而且我们的说话是根据社会环境进行调节的：注入适当的情感，并受到动机、想法、预期和情绪的驱动。

协调这些不同的功能需要利用大脑所做的几乎所有事情——从大脑深部区域执行的心率和血压调节，到边缘系统执行的感觉和情感信息处理。它还需要参与前额叶大脑皮层的最高水平的理解、抑制和决策认知功能。

小脑要做到这一点，就必须具有跨越整个大脑的连接。到目前为止，还缺乏证据，但新技术正在揭示这些途径。

感官输入的枢纽

仅仅几十年前，当神经解剖学家绘制大脑图谱时，他们找不到从小脑到控制情绪和认知的大脑区域（例如边缘系统和前额皮质）的任何直接连接。这使他们相信小脑在某种程度上是孤立的，不参与这些高级认知功能。但正如强盗可能通过更换车辆来躲避追踪器一样，神经信号也可以从一个神经元跳跃到下一个神经元。这一秘密行动让神经解剖学家失去了对小脑的追踪。

新方法使神经解剖学家能够追踪从小脑穿过中继点的这些通路，并跟踪它们穿过整个大脑。例如，研究人员可以将狂犬病病毒植入神经元中，以准确观察它们接触了哪些其他神经元。他们对荧光蛋白进行了基因改造，当神经冲动激发时荧光蛋白就会闪烁，这样他们就可以看到神经回路中的流量。他们还可以追踪神经元交通留下的足迹：神经元放电时产生的蛋白质的出现可以帮助识别执行特定行为时神经网络中进行通信的所有细胞。

在研讨会上，研究人员分享了这些新方法揭示的一系列令人着迷的新发现，展示了他们对小脑不断发展的理解。

杰西卡·维尔佩特 亚利桑那州立大学的研究人员报告的数据描述了小鼠社交或学习穿越迷宫时，整个大脑中复杂而广泛的小脑连接网络被激活的情况。

鲁道夫分享的实验表明，在照顾幼崽的雌性小鼠中研究的母性行为受到作用于小脑的激素的影响，尤其是促进母性联系的催产素激素。当这种机制被实验破坏后，母亲就不再照顾她的幼崽了。

杨宜梅 明尼苏达大学的研究表明，当她破坏某些小脑神经元时，小鼠就会失去与笼中陌生小鼠接触的兴趣。然而，他们在与新奇的无生命物体互动和记忆方面没有困难。这表明复杂的社会识别记忆存在缺陷，类似于自闭症患者的经历。

事实上，自闭症患者的小脑通常较小，并且 亚历山大·巴杜拉 来自鹿特丹伊拉斯姆斯大学医学中心的研究人员提出的新数据表明，小脑与自闭症有关，因为它是感觉输入的枢纽，尤其是与社会环境相关的信号。

这项新研究超出了小鼠研究的范围。 安德烈亚斯·蒂姆 德国埃森大学医院的研究人员提出了一种新的临床测试，用于准确诊断小脑损伤引起的情绪和认知障碍。

这些新的、开创性的研究表明，除了控制运动之外，小脑还调节复杂的社会和情感行为。为了实现这种全球影响力，小脑必须成为一个与整个大脑连接的数据处理中心。难怪它有这么多神经元。事实上，要独自完成这种高阶指挥和控制，它必须有一个小大脑。