長期以來，小腦這個位於大腦底部、緻密且拳頭大小的結構，一直沒有受到神經科學家的重視。
大約兩個世紀以來，科學界一直認為小腦（拉丁語意為“小腦袋”），它包含大約大腦一半的神經元，專門負責控制運動。然而，近幾十年來，情況開始轉變，研究人員揭示了這個結構在認知、情緒處理和社交行為中的作用細節。
人們對小腦的長期興趣可以從法國生理學家瑪麗·讓·皮埃爾·弗盧朗（Marie Jean Pierre Flourens，1794–1867）的工作中看出。弗盧朗切除了鴿子的小腦，發現這些鳥變得不平衡，但仍然可以移動。基於這些觀察，他得出結論，小腦負責協調運動。“[這]確立了小腦參與運動協調的教條，” 阿爾伯特·愛因斯坦醫學院的神經科學家Kamran Khodakhah說，並補充道：“多年來，我們忽略了表明它也參與其他事情的跡象。”
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關於小腦更廣泛作用的最有力的證據之一齣現在大約二十年前，當時馬薩諸塞州總醫院的神經科醫生Jeremy Schmahmann在發現小腦受損的個體出現抽象推理和情緒調節障礙等行為變化後，描述了小腦認知情感綜合徵。從那時起，這項研究領域不斷擴大。已經有人類神經影像學研究表明，小腦參與認知處理和情緒控制——動物研究還揭示，除其他外，該結構對於社交和認知能力的正常發展非常重要。研究人員還將小腦功能改變與成癮、自閉症和精神分裂症聯絡起來。
儘管許多這些發現表明小腦在獎勵相關行為和社交行為中都起著重要作用，但解釋這種聯絡的清晰神經機制仍然缺乏。本週發表在《科學》雜誌上的新研究表明，一條直接將小腦與腹側被蓋區（VTA）——大腦主要的快樂中心之一——聯絡起來的通路可以控制這兩個過程。“這項工作有助於闡明連線小腦與社交和獎勵處理的迴路，”匹茲堡大學的認知神經科學家Julie Fiez說，她沒有參與這項研究。“我認為這真的很令人興奮。”
Khodakhah是這項研究的作者之一，在審閱撥款申請時偶然發現了關於小腦非運動功能的文獻之前，他的工作一直專注於小腦在運動協調中的作用。由於對小腦與自閉症和成癮等疾病的聯絡感到好奇，他開始調查小腦是否可能與VTA（大腦中先前與這些疾病相關的區域）直接溝通。
他實驗室早期的研究暗示，小腦與大腦的其他部分之間可能存在意想不到的聯絡。具體而言，在檢查小鼠肌張力障礙（一種導致無法控制的肌肉收縮的運動障礙）的潛在腦回路時，Khodakhah的團隊發現小腦直接與基底神經節（參與運動、動機和獎勵功能）溝通，以控制複雜運動。以前人們認為，為了協調此類動作，這兩個大腦區域透過皮層（負責計劃和決策等高階任務的區域）進行溝通。“這真的激勵我們開始研究直接的小腦對其他大腦結構的操縱，”Khodakhah說。
為了研究小腦和VTA之間的聯絡，Khodakhah的團隊首先將皰疹病毒注射到小鼠的小腦細胞中，皰疹病毒充當移動哨兵，在攜帶熒光標籤的同時跳過突觸——腦細胞之間微小的間隙。這項實驗顯示，VTA中的幾個神經元被髮游標記點亮，表明該大腦區域的細胞確實正在接收來自小腦的直接連線。然後，研究人員使用光遺傳學（一種允許科學家用閃光開啟或關閉神經通路中特定細胞的方法）證明，刺激小腦神經元可以啟用VTA中的細胞。
接下來，該團隊測試了該回路是否可以影響獎勵相關行為和社交行為。他們發現，當小鼠探索方形圍欄的一個象限時，用光遺傳學刺激該通路會導致它們對該地點產生強烈的偏好。透過啟用該通路，科學家們還能夠馴化齧齒動物（夜行動物）偏好探索明亮的隔間，儘管它們天生偏愛黑暗的地方。“這些發現表明，該通路可能與成癮行為有關，”Khodakhah說。他指出，後一個實驗已廣泛用於研究動物的藥物成癮，他的團隊計劃進行進一步研究。未來的實驗可能會向齧齒動物提供可卡因，以觀察抑制小腦和VTA之間的通路是否可以操縱成癮行為。
當研究人員使用三個相互連線的腔室進行類似的小鼠實驗時，他們有了一個有趣的發現。小鼠在一個腔室（“社交腔室”）中遇到了一隻熟悉的動物。與之相鄰的是一個空的腔室（“物體腔室”）。小鼠通常在社交腔室中花費更多時間。但是，在使用光遺傳學停用小腦-VTA通路後，這種偏好消失了，這與科學家使用自閉症動物模型進行相同測試時通常觀察到的行為相呼應。
有趣的是，該團隊發現刺激該回路並沒有增加齧齒動物與不熟悉動物的互動。作者認為，這一觀察結果表明，該通路不一定增加親社會行為，而是使無生命物體，例如，與與他人互動一樣有獎勵。“這項[研究]是最清晰、最有趣的證明之一，表明小腦確實參與了高水平的非運動功能的控制，” 義大利帕維亞大學的神經生理學家Egidio D’Angelo說，他沒有參與這項工作，但為該論文撰寫了一篇評論。“但這項工作是在小鼠身上完成的——現在我們必須看看這是否發生在人類身上。”
同樣沒有參與這項研究的Schmahmann指出，這些發現證實了科學家幾十年前首次提出的通路的存在。“我很高興看到[這項研究]，”他補充道。“它們為我們正在進行的[理解]小腦對認知和情感的貢獻的嘗試提供了另一個非常重要的基石。”
Khodakhah說，進一步探究小腦-VTA迴路可能有一天會幫助科學家治療各種疾病。對於患有成癮或自閉症的個體，可能會使用經顱磁刺激或深部腦刺激等技術來操縱該回路。但在這些干預措施成為現實之前，還需要進行更多研究——目前，Khodakhah的團隊計劃在小鼠身上測試其中一些方法。
“對於小腦研究來說，這是一個非常激動人心的時刻，”Khodakhah說。“我認為在未來幾年，我們將看到小腦在非運動功能（[例如]認知和情緒處理）中發揮越來越重要的作用。”