自愿运动是大脑的主要“输出”之一，但科学界对神经元网络如何计划、启动和执行运动仍然知之甚少。现在，来自哥伦比亚大学和葡萄牙里斯本的尚帕利莫未知中心的研究人员表示，他们发现了一个大脑用来引导动物运动的“活动地图”。这项周三发表在《神经元》杂志上的研究结果，可以增进我们对大脑如何学习新运动的理解，以及对帕金森病等相关疾病的病因的了解。
运动由包括初级运动皮层在内的多个大脑结构控制和协调。它位于额叶的后部，包含细胞，这些细胞的长纤维向下延伸穿过脊髓，在那里与发出信号给身体肌肉的“二级”运动神经元接触。一组被称为基底神经节的深层大脑结构对于运动也至关重要，帕金森病等疾病中的基底神经节退化就证明了这一点。基底神经节的一个组成部分，称为纹状体，接收来自运动皮层的有关可能动作的信息，并且被认为参与选择、准备和执行适当的命令，然后再将这些命令发送到身体。早期的研究表明，信号沿着两条不同的路径离开纹状体：一条促进运动，另一条抑制运动。然而，最近的一些研究表明，这两条路径在运动过程中都是活跃的，这表明它们并非简单地发送“停止”和“开始”信号。尽管长期以来人们一直怀疑纹状体中不同的神经元群代表不同的动作，但它们究竟是如何做到这一点的仍然不清楚。
为了进一步研究，哥伦比亚大学祖克曼研究所的神经科学家Rui Costa和他的同事们创造了一种小鼠品系，该品系在纹状体的神经元中携带基因编码的钙传感器。这种传感器是一种蛋白质，当细胞活跃时，细胞内发生的钙离子浓度升高时，它会发出荧光。通过将此与最近开发的一种称为单光子微型内窥镜的成像技术相结合，研究人员能够可视化自由移动小鼠纹状体中多达300个单个神经元的活动——使用连接在动物头部的微型显微镜——并捕捉细胞在时间和空间上的放电模式的动态。
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该研究的资深作者科斯塔说：“我们发现细胞活动存在‘局部偏倚’，[因此]彼此靠近的神经元更有可能一起活动。” “此外，我们看到许多神经元在特定的一次运动过程中活跃，而另一些神经元在多次运动过程中活跃，因此存在某种动作地图。”
科斯塔补充说，研究人员可以根据哪些神经元亮起，来预测动物正在进行的运动。“相似的动作具有相似的神经元活动模式，而不同的动作具有不太相似的模式，”他解释说。“因此，当查看相似动作的模式时，我们的预测并不那么准确。”
研究作者指出，这些活动模式与动物的运动速度无关，这是通过连接在它们头部的加速度计测量的。科斯塔说，这表明纹状体中与运动相关的活动远比我们想象的要复杂得多，并且“停止”和“开始”通路内的精确活动模式比每个通路内的总体活动水平更重要。
新西兰奥塔哥大学研究基底神经节如何产生运动的生理学教授约翰·雷诺兹说：“这是一篇很棒的论文，使用了复杂的方法来帮助解决一个在概念上很简单的问题，而这个问题一直是重大争议的根源。”“它使我们朝着解决纹状体中独立激活或抑制运动的两大类神经元是否存在于离散的功能群中，还是在行为过程中共存并协同工作这一难题迈进了一步。”
霍华德·休斯医学研究所贾内莉亚研究园区研究控制运动的神经回路的神经科学家Joshua Dudman说，这项研究很有用，但强调了它的局限性。“几十年来，我们已经知道纹状体中存在这种弱集群的、功能相似的活动模式，因此在自由移动的动物中证实这一点是很好的，”杜德曼说。“他们[研究人员]似乎专注于评估一个没人提出过的模型——运动速度是在纹状体中独立于动作身份编码的。”但是，他说，研究人员的结论是基于“推断整个‘停止’和‘开始’细胞群的同时测量结果可能是什么样子，而不是实际进行这些测量的这一重要步骤。”*
杜德曼补充说，尽管如此，这项研究仍然很有用，因为它显示了不同的纹状体神经元群在各种行为中是活跃的。“过去，这种观察主要是在少数几个相对相似的动作之间进行的，例如左右转弯，”他说，“因此，提供一系列行为的证据是有价值的。最近的其他工作强调，‘停止’和‘开始’种群协同作用来控制动作，因此这项研究进一步强调了同时测量多种行为的重要性，以此作为未来工作的目标。”
科斯塔和他的同事现在正试图破译他们在纹状体中观察到的活动模式的逻辑。初级运动皮层（通过脊髓向肌肉发送运动指令）中的细胞是这样组织的：控制相邻身体部位和肌肉群的细胞彼此相邻，科斯塔认为，这种所谓的“躯体定位”组织可能有助于纹状体的模式。
“我们认为[在纹状体中]也发生了非常相似的事情，我们已经有一些关于此的初步数据，”科斯塔说。“但是向右和向左转具有非常不同的模式，尽管两者都涉及头部，因此不仅仅是躯体定位。它可能与肌肉有关，或者两者兼而有之。”
“我们还想知道在帕金森病等疾病中这些动作图会发生什么变化，”他补充说。“我们预测它们将会发生巨大改变。”
*编者注（2017年9月12日）：应发言人的要求，这句引言的最后一句话在发布后被删除，他反对对他引述的内容的实质。