自願運動是大腦的主要“輸出”之一，但科學界對神經元網路如何計劃、啟動和執行運動仍然知之甚少。現在，來自哥倫比亞大學和葡萄牙里斯本的尚帕利莫未知中心的研究人員表示，他們發現了一個大腦用來引導動物運動的“活動地圖”。這項週三發表在《神經元》雜誌上的研究結果，可以增進我們對大腦如何學習新運動的理解，以及對帕金森病等相關疾病的病因的瞭解。
運動由包括初級運動皮層在內的多個大腦結構控制和協調。它位於額葉的後部，包含細胞，這些細胞的長纖維向下延伸穿過脊髓，在那裡與發出訊號給身體肌肉的“二級”運動神經元接觸。一組被稱為基底神經節的深層大腦結構對於運動也至關重要，帕金森病等疾病中的基底神經節退化就證明了這一點。基底神經節的一個組成部分，稱為紋狀體，接收來自運動皮層的有關可能動作的資訊，並且被認為參與選擇、準備和執行適當的命令，然後再將這些命令傳送到身體。早期的研究表明，訊號沿著兩條不同的路徑離開紋狀體：一條促進運動，另一條抑制運動。然而，最近的一些研究表明，這兩條路徑在運動過程中都是活躍的，這表明它們並非簡單地傳送“停止”和“開始”訊號。儘管長期以來人們一直懷疑紋狀體中不同的神經元群代表不同的動作，但它們究竟是如何做到這一點的仍然不清楚。
為了進一步研究，哥倫比亞大學祖克曼研究所的神經科學家Rui Costa和他的同事們創造了一種小鼠品系，該品系在紋狀體的神經元中攜帶基因編碼的鈣感測器。這種感測器是一種蛋白質，當細胞活躍時，細胞內發生的鈣離子濃度升高時，它會發出熒光。透過將此與最近開發的一種稱為單光子微型內窺鏡的成像技術相結合，研究人員能夠視覺化自由移動小鼠紋狀體中多達300個單個神經元的活動——使用連線在動物頭部的微型顯微鏡——並捕捉細胞在時間和空間上的放電模式的動態。
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該研究的資深作者科斯塔說：“我們發現細胞活動存在‘區域性偏倚’，[因此]彼此靠近的神經元更有可能一起活動。” “此外，我們看到許多神經元在特定的一次運動過程中活躍，而另一些神經元在多次運動過程中活躍，因此存在某種動作地圖。”
科斯塔補充說，研究人員可以根據哪些神經元亮起，來預測動物正在進行的運動。“相似的動作具有相似的神經元活動模式，而不同的動作具有不太相似的模式，”他解釋說。“因此，當檢視相似動作的模式時，我們的預測並不那麼準確。”
研究作者指出，這些活動模式與動物的運動速度無關，這是透過連線在它們頭部的加速度計測量的。科斯塔說，這表明紋狀體中與運動相關的活動遠比我們想象的要複雜得多，並且“停止”和“開始”通路內的精確活動模式比每個通路內的總體活動水平更重要。
紐西蘭奧塔哥大學研究基底神經節如何產生運動的生理學教授約翰·雷諾茲說：“這是一篇很棒的論文，使用了複雜的方法來幫助解決一個在概念上很簡單的問題，而這個問題一直是重大爭議的根源。”“它使我們朝著解決紋狀體中獨立啟用或抑制運動的兩大類神經元是否存在於離散的功能群中，還是在行為過程中共存並協同工作這一難題邁進了一步。”
霍華德·休斯醫學研究所賈內莉亞研究園區研究控制運動的神經迴路的神經科學家Joshua Dudman說，這項研究很有用，但強調了它的侷限性。“幾十年來，我們已經知道紋狀體中存在這種弱叢集的、功能相似的活動模式，因此在自由移動的動物中證實這一點是很好的，”杜德曼說。“他們[研究人員]似乎專注於評估一個沒人提出過的模型——運動速度是在紋狀體中獨立於動作身份編碼的。”但是，他說，研究人員的結論是基於“推斷整個‘停止’和‘開始’細胞群的同時測量結果可能是什麼樣子，而不是實際進行這些測量的這一重要步驟。”*
杜德曼補充說，儘管如此，這項研究仍然很有用，因為它顯示了不同的紋狀體神經元群在各種行為中是活躍的。“過去，這種觀察主要是在少數幾個相對相似的動作之間進行的，例如左右轉彎，”他說，“因此，提供一系列行為的證據是有價值的。最近的其他工作強調，‘停止’和‘開始’種群協同作用來控制動作，因此這項研究進一步強調了同時測量多種行為的重要性，以此作為未來工作的目標。”
科斯塔和他的同事現在正試圖破譯他們在紋狀體中觀察到的活動模式的邏輯。初級運動皮層（透過脊髓向肌肉傳送運動指令）中的細胞是這樣組織的：控制相鄰身體部位和肌肉群的細胞彼此相鄰，科斯塔認為，這種所謂的“軀體定位”組織可能有助於紋狀體的模式。
“我們認為[在紋狀體中]也發生了非常相似的事情，我們已經有一些關於此的初步資料，”科斯塔說。“但是向右和向左轉具有非常不同的模式，儘管兩者都涉及頭部，因此不僅僅是軀體定位。它可能與肌肉有關，或者兩者兼而有之。”
“我們還想知道在帕金森病等疾病中這些動作圖會發生什麼變化，”他補充說。“我們預測它們將會發生巨大改變。”
*編者注（2017年9月12日）：應發言人的要求，這句引言的最後一句話在釋出後被刪除，他反對對他引述的內容的實質。