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题目：A somato-cognitive action network alternates with effector regions in motor cortex
期刊：Nature
IF：69.504
发表时间：2023年4月19日
通讯作者单位：华盛顿大学
DOI：https://doi.org/10.1038/s41586-023-05939-3
主要内容：
人类大脑的运动皮层通常被认为是一个具有不连续部分的线性地图，每个部分控制身体的不同部分。发现运动皮层的某些部分具有其他功能，这表明了一种不同类型的地图。
我们的大脑是如何控制日常行为的，如抓起一杯咖啡或讲一个笑话？一个世纪以来的实验性神经学证明，大脑外表面横向运行的一条薄薄的运动皮层将自愿行动（例如决定喝一口）转化为肌肉运动。这条带子通常被认为代表了人体的连续地图，每个独立的部分都含有与脊髓联系的神经元，以操作一组特定的肌肉。大脑的 "高级 "区域作为木偶师，通过在运动皮层地图中创造适当的神经元活动时空序列来协调运动。作者对人类运动皮层组织进行了修改，表明皮层是由两个不同的、在空间上交错的系统组成的，其中只有一个直接用于身体运动。
20世纪30年代，神经外科医生怀尔德-彭菲尔德进行了一系列实验，他用电刺激了清醒人的运动皮层区域2。他发现，刺激的位置决定了身体的哪一部分在移动。这促使他绘制了一张今天许多人都熟悉的运动皮层组织图。它以一个同形体的形式展示出来--一个由比例奇特的身体部位覆盖在皮层表面的动画片（图1a）。
多年来，这种同体模型一直受到质疑--部分原因是个体大脑的细节不同，也是因为担心运动地图的精确性和连续性被夸大了。2020年对彭菲尔德的研究结果进行的大规模复制提供了一些保证。但奇怪的是，一半以上的刺激部位并没有导致任何身体运动，这表明运动皮层的一些区域有其他作用。
为了支持这一观点，有几个事实表明，灵长类动物的运动皮层远不是一个管理身体运动的单一地图。首先，有些身体部位是由运动皮层的两个不同区域控制的，其中一个区域绕过了内部的脊髓电路，允许皮层直接控制单个肌肉。这种直接途径的进化大大增强了人类和其他灵长类动物的精细运动行为，如灵巧的手部运动。其次，猴子运动皮层的布局不是线性的，而是同心的组织（例如，手部区域的两侧是控制手腕、肘部和肩部的区域）。
第三，有些运动皮层亚区参与明显的非运动性动作--例如调节战斗或飞行行为的唤醒信号。第四，来自运动皮层单点的刺激有时能引起涉及多个身体部位的复杂、刻板的行为序列，如将手伸向嘴边，做出类似于吃一块食物的手势。
戈登和他的同事使用一种称为功能磁共振成像（fMRI）的脑成像技术重新研究了人类的运动皮层组织，该技术通过区域血流的变化间接测量神经活动。作者对静止不动的人的大脑中的自发活动进行了成像。他们还分析了执行运动任务的受试者（例如，以特定的方式弯曲四肢，或根据提示发出某些声音），仔细绘制了身体运动的地形图和皮质表面的活动。他们的研究结果与以前的观察结果相吻合，并在此基础上有所发展。
他们的主要发现是，与传统的同位素描述相反，运动皮层被分为交替的亚区，这些亚区具有不同的功能（图1b）。最容易识别的是代表脚、手和嘴的三个 "效应 "运动区。戈登等人提供的一些证据表明--与猴子一样--这些区域有一个同心的排列。在它们之间有三个 "效应器间 "区域，它们与效应器区域非常不同。
作者表明，与效应区不同，效应间区在功能上是相互联系的，似乎是作为一个单元在运作。它们的活动与一组被称为 "齿状突起网络 "的大脑区域结合在一起，该网络参与目标导向的认知控制。在受试者发起的行动中，效应器间区域对身体各部分的运动作出反应--特别是在与内脏功能有关的运动中，如吞咽，以及与姿势变化有关的运动，如肩膀运动。这些区域甚至对从未执行过的动作的计划作出反应。研究人员在效应区没有观察到这些特征。
根据这些发现，戈登和他的同事假设，效应器间区域有助于准备和实施动作，而效应器区域有助于执行这些动作。他们将效应器间区域统称为躯体-认知行动网络（SCAN）。
这一假设将引起人们的注意，并可能促使人们广泛地重新考虑同构体模型。一些研究人员可能会质疑基于fMRI的结果--一种基于血液的成像信号，其精确的神经基础从未明确--是否应该推翻基于直接皮质刺激的运动皮层模型。这是一个合理的担忧。然而，戈登等人通过汇集不同的支持线来解决这一批评意见。
例如，作者重新分析了2020年电刺激研究的数据，并发现运动皮层的一个相当大的区域无法引起身体运动，与他们的效应器间子区域之一相匹配。他们在大型的、公开的fMRI数据集中复制了他们的主要发现。他们还在婴儿身上发现了执行间区域的证据，这表明了早期发育的起源，并在一定程度上在猕猴身上发现了证据，这表明了灵长类动物的进化保护。最后，值得注意的是，发表在预印本服务器bioRxiv上的一项人类电生理研究描述了一个嵌入运动皮层的区域，该区域对身体运动的神经反应类似于戈登及其同事报告的效应间区域。
这项工作的意义还超出了修改运动皮层功能布局的需要。在实验室实验中，对运动动作的研究往往涉及简单地弯曲单个关节，而现实世界的行为涉及高度协调的运动，考虑到重力、能量、社会环境等因素。值得推测的是，扩大灵长类动物对其运动系统控制的连接，与之相匹配的是执行行为期间控制姿势和内脏功能的执行器间区域的投射的平行扩展。
从仰卧不动的受试者的大脑中得出自然运动控制的原则，也许有一些讽刺意味。但戈登和他的同事却做到了这一点。他们对SCAN的鉴定及其与齿状突起网络的选择性交流，为思考大脑运动回路如何在我们进行日常活动时保持我们整个身体的状态打开了大门。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-023-05964-2
转自：“生物医学科研之家”微信公众号
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