大腦通過皮層與小腦之間的雙向通信來調(diào)控運動。下行通路經(jīng)腦橋?qū)⑿盘枏拇竽X傳向小腦，上行通路則經(jīng)丘腦將信號從小腦傳回大腦。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)雜的運動任務(wù)如通過胡須、肢體或舌頭主動探索進行辨別和獎賞學(xué)習(xí)，也協(xié)調(diào)自發(fā)胡須擺動、舔舐等先天本能行為。盡管對這一環(huán)路的連接結(jié)構(gòu)和行為功能已有深入了解，但其優(yōu)化感覺運動協(xié)調(diào)的神經(jīng)動態(tài)機制仍不清楚。

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”，揭示了感覺運動處理過程中腦-小腦通信的階段依賴性。

在此，作者研究了在小鼠自發(fā)胡須運動的準備和執(zhí)行階段，哪些神經(jīng)通路占據(jù)主導(dǎo)地位。在準備階段，初級運動皮層（M1）和體感皮層（S1）的神經(jīng)元活動先于小腦絨球區(qū)域的活動，其時間上的領(lǐng)先與傳遞運動指令副本（即“副本信號”）的路徑一致。運動開始后，信號的相位發(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，浦肯野細胞的活動與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)生對運動動作所導(dǎo)致的感覺后果的預(yù)測。通過光遺傳學(xué)手段對腦橋和丘腦進行干預(yù)驗證了該模型對不同階段動態(tài)特性的預(yù)測。綜上所述，當(dāng)運動從準備階段切換到執(zhí)行階段時，大腦皮層與小腦之間的信息流方向發(fā)生了轉(zhuǎn)換。

圖一 從計劃到運動，腦與小腦之間的通信相位發(fā)生翻轉(zhuǎn)

為了研究腦-小腦通信的時間動態(tài)，作者在小鼠自然胡須運動行為的不同階段，記錄了胡須運動皮層、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)域的局部場電位信號。

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

作者分析了12只小鼠運動皮層、體感皮層與小腦絨球區(qū)浦肯野細胞層之間的局部場電位相位關(guān)系。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在運動開始后，原本運動前“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：運動前大腦主導(dǎo)。這表明，無論是運動還是體感皮層，其與小腦的協(xié)同模式都在運動瞬間發(fā)生了根本性切換從“大腦指揮”轉(zhuǎn)為“小腦引領(lǐng)”。這一動態(tài)變化與已知的胡須運動中信號從運動皮層傳向體感皮層、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，盡管信息量較弱。簡言之，運動前是大腦驅(qū)動小腦，而一旦運動啟動，主導(dǎo)權(quán)便迅速交還給小腦。 

圖二 浦肯野細胞活動與感覺皮層的活動相關(guān)性高于運動皮層

如果小腦對正在進行的良好執(zhí)行的動作具有感覺表征，那么可以預(yù)期小腦皮層的活動與體感皮層的活動相關(guān)性會強于與運動皮層的活動相關(guān)性，并且這種相關(guān)性在動作執(zhí)行階段最強。為了驗證這一假設(shè)，作者計算了在運動前和運動期間，小腦絨球區(qū)域浦肯野細胞層記錄到的局部場電位與體感皮層和運動皮層局部場電位之間的相關(guān)性強度。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在這兩個200毫秒的時間窗口內(nèi)，小腦活動與體感皮層的相關(guān)性均強于與運動皮層的相關(guān)性，且在運動階段小腦與體感皮層的相關(guān)性顯著高于運動前階段。這一現(xiàn)象在所有12個記錄浦肯野細胞活動的小腦位置均成立。

在運動階段，小腦各區(qū)域與體感皮層的活動相關(guān)性均強于與運動皮層的相關(guān)性。進一步分析單細胞放電發(fā)現(xiàn)，浦肯野細胞與體感皮層錐體細胞的配對相關(guān)性更強、比例更高且互信息量顯著更大。此外，胡須運動與體感皮層和運動皮層的相位關(guān)系相似，但與小腦活動的相位關(guān)系明顯不同，凸顯體感皮層與小腦在運動編碼中緊密協(xié)同。綜上，小腦絨球區(qū)浦肯野細胞的活動更緊密地跟隨體感皮層而非運動皮層，支持小腦主要編碼運動的感覺反饋而非運動指令。

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。他們重點關(guān)注丘腦腹外側(cè)核（VL），這是小腦信號傳回大腦的關(guān)鍵中轉(zhuǎn)站。

模型預(yù)測抑制VL會影響運動時小腦與大腦（包括運動皮層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現(xiàn)的。

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

然而，實驗中抑制VL并未像模型預(yù)測那樣影響小腦與S1在運動時的同步關(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，實驗表明VL在運動中調(diào)控小腦-運動皮層互動的關(guān)鍵作用，但小腦-體感皮層的協(xié)調(diào)機制可能更復(fù)雜。

總結(jié)

本研究揭示了腦-小腦環(huán)路在自發(fā)胡須運動中信息交互的動態(tài)機制。通過電生理記錄、光遺傳干預(yù)和計算建模，發(fā)現(xiàn)腦與小腦之間的信息流向在運動準備和執(zhí)行階段發(fā)生反轉(zhuǎn)：準備期以大腦向小腦發(fā)送運動指令（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（上行通路為主）。這一動態(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)天生的運動行為，而且在運動前和運動中發(fā)揮不同的作用，揭示了大腦在控制動作時既能提前預(yù)測，又能及時反饋，實現(xiàn)精準調(diào)控。

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