大腦的“運(yùn)動(dòng)侏儒”理論

約一個(gè)世紀(jì)前，神經(jīng)外科醫(yī)生通過(guò)對(duì)開(kāi)顱患者直接進(jìn)行腦表面的電刺激，首次發(fā)現(xiàn)了軀體運(yùn)動(dòng)代表區(qū)。在大腦表面，第一軀體運(yùn)動(dòng)區(qū)是位于中央前回（Precentral gyrus，PCG）后面凸的大腦皮質(zhì)區(qū)域，按照從內(nèi)到外、從上到下的順序分別投射支配下肢、上肢和頭面部的運(yùn)動(dòng)。1937年，William Penfield教授用經(jīng)典的“運(yùn)動(dòng)侏儒（Motor homunculus）”模式圖來(lái)描述大腦皮層的這種投射支配模式[1]。后來(lái)，“運(yùn)動(dòng)侏儒”模式也陸續(xù)得到了多項(xiàng)基于功能磁共振成像（fMRI）、腦磁圖（MEG）、腦皮層電圖（ECoG）等方法進(jìn)行的研究所證實(shí)。

Gerwin Schalk博士是運(yùn)動(dòng)控制神經(jīng)基礎(chǔ)與腦-機(jī)接口（BCI）領(lǐng)域的知名科學(xué)家，也是天橋腦科學(xué)研究院（Tianqiao and Chrissy Chen Institute，TCCI）應(yīng)用神經(jīng)技術(shù)前沿實(shí)驗(yàn)室主任。他表示：“不斷發(fā)展的神經(jīng)科學(xué)向我們清晰地展示了大腦皮層這張復(fù)雜而精細(xì)的地圖，在中央前回處，不同區(qū)域?qū)?yīng)軀體的不同部位，并投射支配該區(qū)域的自主活動(dòng)?！?/strong>

(資料圖片僅供參考)

?圖注：“感覺(jué)侏儒”（左）與“運(yùn)動(dòng)侏儒”（右） 圖片來(lái)源：https://www.ebmconsult.com/

但“運(yùn)動(dòng)侏儒”理論僅僅解釋了運(yùn)動(dòng)的產(chǎn)生，卻沒(méi)有進(jìn)一步解釋運(yùn)動(dòng)的協(xié)調(diào)機(jī)制。鑒于此，Pandya等[2]于1982年提出了運(yùn)動(dòng)聯(lián)合區(qū)域（motor association area）概念，認(rèn)為運(yùn)動(dòng)聯(lián)合區(qū)域并不直接參與投射支配軀體運(yùn)動(dòng)，而是通過(guò)協(xié)調(diào)聯(lián)系各運(yùn)動(dòng)皮層區(qū)，從而實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)調(diào)控。

發(fā)現(xiàn)新腦區(qū)：中央溝深部的運(yùn)動(dòng)聯(lián)合區(qū)域

為了更深刻地理解中央前回的結(jié)構(gòu)與功能，Gerwin Schalk博士與梅奧診所（Mayo Clinic）的學(xué)者M(jìn)ichael A. Jensen等眾多專家共同開(kāi)展了一項(xiàng)基于立體腦電圖（stereoelectroencephalography，sEEG）的研究。該研究成果于2023年5月發(fā)表在著名期刊Nature Neuroscience上。[3]

研究發(fā)現(xiàn)，大腦的皮層地圖并不完全像先前大家所描述的那樣，大腦中其實(shí)還存在著另一個(gè)全新的腦區(qū)——羅朗多氏運(yùn)動(dòng)聯(lián)合區(qū)域（Rolandic motor association area，RMA），這個(gè)區(qū)域同樣控制和協(xié)調(diào)著我們的運(yùn)動(dòng)功能！

研究一出，在科學(xué)界內(nèi)掀起了不小的轟動(dòng)。

?文章報(bào)道封面 圖片來(lái)源：https://www.nature.com/articles/s41593-023-01346-z

本次研究共招募了13名年齡在11-20歲之間的藥物難治性局灶性癲癇患者（其中有6名女性）。研究人員向患者腦內(nèi)植入立體腦電圖深部電極，隨后指導(dǎo)患者根據(jù)隨機(jī)抽取的圖案提示，以約1次/秒的節(jié)律分別完成以下簡(jiǎn)單的自主運(yùn)動(dòng)：?jiǎn)问治站o/松開(kāi)、閉嘴時(shí)舌頭左移/右移、單足跖屈/背伸。在此期間，研究者會(huì)采集電極周圍腦組織的神經(jīng)電活動(dòng)信號(hào)，計(jì)算其功率譜密度（power spectral density），并進(jìn)行時(shí)間進(jìn)程分析（time course analysis）。研究人員同時(shí)在前臂伸/屈肌、下頜底部、脛前肌處放置肌電電極，以評(píng)價(jià)從大腦皮層運(yùn)動(dòng)區(qū)放電到肢體活動(dòng)間的間隔時(shí)間。研究原計(jì)劃是同時(shí)記錄腦表面及深部的電信號(hào)，并采用K均值聚類算法（K-means clustering algorithm）計(jì)算手、舌、腳分別活動(dòng)時(shí)被激活的區(qū)域/簇在腦中的相對(duì)空間位置，從而從三維容積角度闡釋支配運(yùn)動(dòng)過(guò)程中第一軀體運(yùn)動(dòng)區(qū)的腦電活動(dòng)特征。

?圖c展示了利用K均值聚類算法計(jì)算患者活動(dòng)手、舌、腳時(shí)所采集腦電數(shù)據(jù)的結(jié)果。所有數(shù)據(jù)分為5個(gè)簇,以不同顏色標(biāo)記并在三維坐標(biāo)系中展示。圖d則展示了各簇在腦內(nèi)的空間位置分布。圖片來(lái)源：Jensen, et al./ Nature Neuroscience 2023

在對(duì)受試者寬頻腦電圖結(jié)果進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，第一軀體運(yùn)動(dòng)區(qū)實(shí)際上比經(jīng)典“運(yùn)動(dòng)侏儒”模式圖描述的范圍要更大，其中，部分運(yùn)動(dòng)代表區(qū)延伸入中央溝內(nèi)。更令人驚訝的是，在所有患者按照指令活動(dòng)手、舌、腳的過(guò)程中，立體腦電圖顯示，位于中央溝深部中外側(cè)部的一處全新的腦區(qū)均被激活，這與周圍特化的軀體運(yùn)動(dòng)代表區(qū)的電生理活動(dòng)模式（特定腦區(qū)激活對(duì)應(yīng)特定軀體部位自主活動(dòng)）有著顯著區(qū)別。

研究者借鑒“羅朗多氏裂（Fissure of Rolando）”這一中央溝的舊稱，將這個(gè)腦區(qū)命名為“羅朗多氏運(yùn)動(dòng)聯(lián)合區(qū)域（Rolandic motor association area，RMA）”。

據(jù)Schalk博士介紹，這個(gè)區(qū)域的出現(xiàn)打斷了中央前回“運(yùn)動(dòng)侏儒”地圖的連續(xù)性。他們所觀察到患者在完成不同指令過(guò)程時(shí)RMA均被激活，這說(shuō)明RMA支配運(yùn)動(dòng)不具有特異性，其并不通過(guò)神經(jīng)纖維直接投射支配某一部位的運(yùn)動(dòng)，而是參與運(yùn)動(dòng)的協(xié)調(diào)。

發(fā)現(xiàn)新的腦區(qū)，有什么意義？

隨著立體腦電圖技術(shù)在臨床上的普及，研究者們不斷發(fā)現(xiàn)全新的、參與調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)聯(lián)合區(qū)域。Glasser等[4]發(fā)現(xiàn)，位于RMA前上方的中央前回55b區(qū)參與生成語(yǔ)言與協(xié)調(diào)音律。而Willett等[5]指出，四肢癱患者的運(yùn)動(dòng)前區(qū)（BA6區(qū)）參與整合全身的自主運(yùn)動(dòng)。Gordon等[6]則進(jìn)一步提出，中央前回上存在三個(gè)未直接參與投射支配軀體運(yùn)動(dòng)的區(qū)域，這些區(qū)域其中之一與上述中央前回55b區(qū)相重疊，可能與紋狀體、中央中核相聯(lián)系，參與協(xié)調(diào)全身的自主運(yùn)動(dòng)。

談到此次發(fā)現(xiàn)的意義，Schalk博士激動(dòng)地表示：“在這基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)RMA再次擴(kuò)展了我們對(duì)人腦的認(rèn)知。未來(lái)研究或可進(jìn)一步探討運(yùn)動(dòng)聯(lián)合區(qū)域與第一軀體運(yùn)動(dòng)區(qū)、運(yùn)動(dòng)聯(lián)合區(qū)域之間的相互聯(lián)系，從而發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)聯(lián)合區(qū)域在神經(jīng)環(huán)路中的更廣泛作用?！?/p>

在發(fā)現(xiàn)RMA的過(guò)程中，先進(jìn)的神經(jīng)技術(shù)功不可沒(méi)。作為一種日趨成熟的技術(shù)，立體腦電圖能更好地從三維角度描述癲癇患者腦網(wǎng)絡(luò)特征，有助于指導(dǎo)癲癇治療。相較而言，傳統(tǒng)的腦皮層電圖與直接電刺激則很容易忽略RMA，這是因?yàn)?，這些技術(shù)主要記錄大腦淺表的神經(jīng)電活動(dòng)，而RMA位于中央溝深部，為BA4區(qū)所掩蓋，其電活動(dòng)相對(duì)不易被捕捉到。

正是立體腦電圖的立體定位、能捕捉深部白質(zhì)神經(jīng)電活動(dòng)的優(yōu)勢(shì)促成了新腦區(qū)的發(fā)現(xiàn)。在技術(shù)層面，Gerwin Schalk博士也對(duì)先進(jìn)神經(jīng)技術(shù)的應(yīng)用充滿期待，他表示“隨著傳感器技術(shù)的最新進(jìn)步、計(jì)算能力的增強(qiáng)以及信號(hào)處理/AI算法的日益復(fù)雜，我們現(xiàn)在擁有強(qiáng)大的工具來(lái)更多地了解和修改大腦功能?！?/p>

目前，人們?cè)絹?lái)越深刻認(rèn)識(shí)到神經(jīng)技術(shù)的潛力，并開(kāi)始通過(guò)系統(tǒng)的工作將神經(jīng)科學(xué)發(fā)現(xiàn)與技術(shù)相結(jié)合，以開(kāi)發(fā)使醫(yī)療與科研行業(yè)內(nèi)外更多人受益的解決方案?！拔覀兣c梅奧診所的這項(xiàng)研究有助于更好地利用這些工具來(lái)解決不同神經(jīng)系統(tǒng)疾病的破壞性影響。例如，我們目前的發(fā)現(xiàn)可能會(huì)促成新的或改進(jìn)的方法來(lái)改善不同運(yùn)動(dòng)障礙的治療，如帕金森病或圖雷特綜合征?！彼诓稍L中表示。

參考資料：

[1] Penfield, W. & Boldrey, E. Somatic motor and sensory representation in the cerebral cortex of man as studied by electrical stimulation. Brain 60, 389–443 (1937).

[2] Pandya, D. N. & Seltzer, B. Association areas of the cerebral cortex. Trends Neurosci. 5, 386–390 (1982).

[3] Jensen MA, Huang H, Valencia GO, et al. A motor association area in the depths of the central sulcus [published online ahead of print, 2023 May 18]. Nat Neurosci. 2023;10.1038/s41593-023-01346-z. doi:10.1038/s41593-023-01346-z

[4] Glasser, M. F. et al. A multi-modal parcellation of human cerebral cortex. Nature 536, 171–178 (2016).

[5] Willett, F. R. et al. Hand knob area of premotor cortex represents the whole body in a compositional way. Cell 181, 396–409 (2020).

[6] Gordon, E. M. et al. A mind-body interface alternates with efector-specific regions in motor cortex. Preprint at bioRxiv https://doi.org/10.1101/2022.10.26.513940 (2022).

Jensen, M.A., Huang, H., Valencia, G.O. et al. A motor association area in the depths of the central sulcus. Nat Neurosci (2023). https://doi.org/10.1038/s41593-023-01346-z