大腦通過皮層與小腦之間的雙向通信來調(diào)控運(yùn)動(dòng)。下行通路經(jīng)腦橋?qū)⑿盘?hào)從大腦傳向小腦，上行通路則經(jīng)丘腦將信號(hào)從小腦傳回大腦。這兩條通路構(gòu)成了中樞神經(jīng)系統(tǒng)中最顯著的環(huán)路之一，不僅參與復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)任務(wù)如通過胡須、肢體或舌頭主動(dòng)探索進(jìn)行辨別和獎(jiǎng)賞學(xué)習(xí)，也協(xié)調(diào)自發(fā)胡須擺動(dòng)、舔舐等先天本能行為。盡管對(duì)這一環(huán)路的連接結(jié)構(gòu)和行為功能已有深入了解，但其優(yōu)化感覺運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)的神經(jīng)動(dòng)態(tài)機(jī)制仍不清楚。

基于此，2025年10月3日，ChrisI. De Zeeuw在Nature communications雜志發(fā)表了“Stage-dependent cerebrocerebellar communication during sensorimotor processing”，揭示了感覺運(yùn)動(dòng)處理過程中腦-小腦通信的階段依賴性。

在此，作者研究了在小鼠自發(fā)胡須運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)備和執(zhí)行階段，哪些神經(jīng)通路占據(jù)主導(dǎo)地位。在準(zhǔn)備階段，初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層（M1）和體感皮層（S1）的神經(jīng)元活動(dòng)先于小腦絨球區(qū)域的活動(dòng)，其時(shí)間上的領(lǐng)先與傳遞運(yùn)動(dòng)指令副本（即“副本信號(hào)”）的路徑一致。運(yùn)動(dòng)開始后，信號(hào)的相位發(fā)生反轉(zhuǎn)，表明信息流向轉(zhuǎn)變?yōu)橐孕∧X向大腦皮層傳遞為主導(dǎo)。在這一階段，浦肯野細(xì)胞的活動(dòng)與S1的相關(guān)性高于與M1的相關(guān)性，這暗示小腦可能在產(chǎn)生對(duì)運(yùn)動(dòng)動(dòng)作所導(dǎo)致的感覺后果的預(yù)測(cè)。通過光遺傳學(xué)手段對(duì)腦橋和丘腦進(jìn)行干預(yù)驗(yàn)證了該模型對(duì)不同階段動(dòng)態(tài)特性的預(yù)測(cè)。綜上所述，當(dāng)運(yùn)動(dòng)從準(zhǔn)備階段切換到執(zhí)行階段時(shí)，大腦皮層與小腦之間的信息流方向發(fā)生了轉(zhuǎn)換。

圖一 從計(jì)劃到運(yùn)動(dòng)，腦與小腦之間的通信相位發(fā)生翻轉(zhuǎn)

為了研究腦-小腦通信的時(shí)間動(dòng)態(tài)，作者在小鼠自然胡須運(yùn)動(dòng)行為的不同階段，記錄了胡須運(yùn)動(dòng)皮層、桶狀皮層以及小腦外側(cè)部絨球1區(qū)和2區(qū)胡須區(qū)域的局部場(chǎng)電位信號(hào)。

分析集中在自發(fā)胡須運(yùn)動(dòng)開始前200毫秒的運(yùn)動(dòng)前階段和開始后200毫秒的運(yùn)動(dòng)階段。在運(yùn)動(dòng)階段，小鼠可能執(zhí)行胡須前伸、回縮或兩者兼有。

作者分析了12只小鼠運(yùn)動(dòng)皮層、體感皮層與小腦絨球區(qū)浦肯野細(xì)胞層之間的局部場(chǎng)電位相位關(guān)系。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在運(yùn)動(dòng)開始后，原本運(yùn)動(dòng)前“大腦領(lǐng)先小腦”的相位模式，迅速轉(zhuǎn)變?yōu)椤靶∧X領(lǐng)先大腦”。體感皮層也呈現(xiàn)相似的轉(zhuǎn)變：運(yùn)動(dòng)前大腦主導(dǎo)。這表明，無論是運(yùn)動(dòng)還是體感皮層，其與小腦的協(xié)同模式都在運(yùn)動(dòng)瞬間發(fā)生了根本性切換從“大腦指揮”轉(zhuǎn)為“小腦引領(lǐng)”。這一動(dòng)態(tài)變化與已知的胡須運(yùn)動(dòng)中信號(hào)從運(yùn)動(dòng)皮層傳向體感皮層、并在皮層內(nèi)由淺入深傳遞的方向一致。

神經(jīng)元放電數(shù)據(jù)也支持這一相位轉(zhuǎn)換趨勢(shì)，盡管信息量較弱。簡(jiǎn)言之，運(yùn)動(dòng)前是大腦驅(qū)動(dòng)小腦，而一旦運(yùn)動(dòng)啟動(dòng)，主導(dǎo)權(quán)便迅速交還給小腦。 

圖二 浦肯野細(xì)胞活動(dòng)與感覺皮層的活動(dòng)相關(guān)性高于運(yùn)動(dòng)皮層

如果小腦對(duì)正在進(jìn)行的良好執(zhí)行的動(dòng)作具有感覺表征，那么可以預(yù)期小腦皮層的活動(dòng)與體感皮層的活動(dòng)相關(guān)性會(huì)強(qiáng)于與運(yùn)動(dòng)皮層的活動(dòng)相關(guān)性，并且這種相關(guān)性在動(dòng)作執(zhí)行階段最強(qiáng)。為了驗(yàn)證這一假設(shè)，作者計(jì)算了在運(yùn)動(dòng)前和運(yùn)動(dòng)期間，小腦絨球區(qū)域浦肯野細(xì)胞層記錄到的局部場(chǎng)電位與體感皮層和運(yùn)動(dòng)皮層局部場(chǎng)電位之間的相關(guān)性強(qiáng)度。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在這兩個(gè)200毫秒的時(shí)間窗口內(nèi)，小腦活動(dòng)與體感皮層的相關(guān)性均強(qiáng)于與運(yùn)動(dòng)皮層的相關(guān)性，且在運(yùn)動(dòng)階段小腦與體感皮層的相關(guān)性顯著高于運(yùn)動(dòng)前階段。這一現(xiàn)象在所有12個(gè)記錄浦肯野細(xì)胞活動(dòng)的小腦位置均成立。

在運(yùn)動(dòng)階段，小腦各區(qū)域與體感皮層的活動(dòng)相關(guān)性均強(qiáng)于與運(yùn)動(dòng)皮層的相關(guān)性。進(jìn)一步分析單細(xì)胞放電發(fā)現(xiàn)，浦肯野細(xì)胞與體感皮層錐體細(xì)胞的配對(duì)相關(guān)性更強(qiáng)、比例更高且互信息量顯著更大。此外，胡須運(yùn)動(dòng)與體感皮層和運(yùn)動(dòng)皮層的相位關(guān)系相似，但與小腦活動(dòng)的相位關(guān)系明顯不同，凸顯體感皮層與小腦在運(yùn)動(dòng)編碼中緊密協(xié)同。綜上，小腦絨球區(qū)浦肯野細(xì)胞的活動(dòng)更緊密地跟隨體感皮層而非運(yùn)動(dòng)皮層，支持小腦主要編碼運(yùn)動(dòng)的感覺反饋而非運(yùn)動(dòng)指令。

圖三 上行通路調(diào)控下腦-小腦通信的階段依賴性

在研究完大腦到小腦的下行通路后，作者接著探索了小腦返回大腦的上行通路的作用。他們重點(diǎn)關(guān)注丘腦腹外側(cè)核（VL），這是小腦信號(hào)傳回大腦的關(guān)鍵中轉(zhuǎn)站。

模型預(yù)測(cè)抑制VL會(huì)影響運(yùn)動(dòng)時(shí)小腦與大腦（包括運(yùn)動(dòng)皮層M1和體感皮層S1）的協(xié)調(diào)。有趣的是，盡管VL不直接連接S1，模型仍預(yù)測(cè)它能影響小腦與S1的同步，可能是通過M1與S1之間的皮層連接間接實(shí)現(xiàn)的。

研究人員用光遺傳技術(shù)精準(zhǔn)抑制小腦→VL的上行通路。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，抑制VL顯著干擾了運(yùn)動(dòng)階段小腦對(duì)M1的相位領(lǐng)先，但對(duì)運(yùn)動(dòng)前無影響，這與模型一致。同時(shí)，運(yùn)動(dòng)時(shí)的肌肉活動(dòng)模式（功率譜）也發(fā)生改變，但沒有引發(fā)新的運(yùn)動(dòng)。

然而，實(shí)驗(yàn)中抑制VL并未像模型預(yù)測(cè)那樣影響小腦與S1在運(yùn)動(dòng)時(shí)的同步關(guān)系。這說明S1與小腦的緊密聯(lián)系可能還依賴其他通路。

總之，實(shí)驗(yàn)表明VL在運(yùn)動(dòng)中調(diào)控小腦-運(yùn)動(dòng)皮層互動(dòng)的關(guān)鍵作用，但小腦-體感皮層的協(xié)調(diào)機(jī)制可能更復(fù)雜。

總結(jié)

本研究揭示了腦-小腦環(huán)路在自發(fā)胡須運(yùn)動(dòng)中信息交互的動(dòng)態(tài)機(jī)制。通過電生理記錄、光遺傳干預(yù)和計(jì)算建模，發(fā)現(xiàn)腦與小腦之間的信息流向在運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)備和執(zhí)行階段發(fā)生反轉(zhuǎn)：準(zhǔn)備期以大腦向小腦發(fā)送運(yùn)動(dòng)指令（下行通路為主），執(zhí)行期則轉(zhuǎn)為小腦向大腦反饋感覺預(yù)測(cè)（上行通路為主）。這一動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換依賴于腦橋核和丘腦構(gòu)成的閉環(huán)通路，而紋狀體等區(qū)域可能更多參與復(fù)雜、習(xí)得性任務(wù)。研究發(fā)現(xiàn)，大腦與小腦的基本環(huán)路就能協(xié)調(diào)天生的運(yùn)動(dòng)行為，而且在運(yùn)動(dòng)前和運(yùn)動(dòng)中發(fā)揮不同的作用，揭示了大腦在控制動(dòng)作時(shí)既能提前預(yù)測(cè)，又能及時(shí)反饋，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)調(diào)控。

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