大腦的“運(yùn)動侏儒”理論

約一個世紀(jì)前，神經(jīng)外科醫(yī)生通過對開顱患者直接進(jìn)行腦表面的電刺激，首次發(fā)現(xiàn)了軀體運(yùn)動代表區(qū)。在大腦表面，第一軀體運(yùn)動區(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。1937年，William Penfield教授用經(jīng)典的“運(yùn)動侏儒（Motor homunculus）”模式圖來描述大腦皮層的這種投射支配模式[1]。后來，“運(yùn)動侏儒”模式也陸續(xù)得到了多項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。

Gerwin Schalk博士是運(yùn)動控制神經(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)前沿實驗室主任。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?！?/strong>

(資料圖片僅供參考)

?圖注：“感覺侏儒”（左）與“運(yùn)動侏儒”（右） 圖片來源：https://www.ebmconsult.com/

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

發(fā)現(xiàn)新腦區(qū)：中央溝深部的運(yùn)動聯(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等眾多專家共同開展了一項基于立體腦電圖（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，大腦中其實還存在著另一個全新的腦區(qū)——羅朗多氏運(yùn)動聯(lián)合區(qū)域（Rolandic motor association area，RMA），這個區(qū)域同樣控制和協(xié)調(diào)著我們的運(yùn)動功能！

研究一出，在科學(xué)界內(nèi)掀起了不小的轟動。

?文章報道封面 圖片來源：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)律分別完成以下簡單的自主運(yùn)動：單手握緊/松開、閉嘴時舌頭左移/右移、單足跖屈/背伸。在此期間，研究者會采集電極周圍腦組織的神經(jīng)電活動信號，計算其功率譜密度（power spectral density），并進(jìn)行時間進(jìn)程分析（time course analysis）。研究人員同時在前臂伸/屈肌、下頜底部、脛前肌處放置肌電電極，以評價從大腦皮層運(yùn)動區(qū)放電到肢體活動間的間隔時間。研究原計劃是同時記錄腦表面及深部的電信號，并采用K均值聚類算法（K-means clustering algorithm）計算手、舌、腳分別活動時被激活的區(qū)域/簇在腦中的相對空間位置，從而從三維容積角度闡釋支配運(yùn)動過程中第一軀體運(yùn)動區(qū)的腦電活動特征。

?圖c展示了利用K均值聚類算法計算患者活動手、舌、腳時所采集腦電數(shù)據(jù)的結(jié)果。所有數(shù)據(jù)分為5個簇,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。圖片來源：Jensen, et al./ Nature Neuroscience 2023

在對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)動區(qū)實際上比經(jīng)典“運(yùn)動侏儒”模式圖描述的范圍要更大，其中，部分運(yùn)動代表區(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手、舌、腳的過程中，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)動代表區(qū)的電生理活動模式（特定腦區(qū)激活對應(yīng)特定軀體部位自主活動）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，將這個腦區(qū)命名為“羅朗多氏運(yùn)動聯(lián)合區(qū)域（Rolandic motor association area，RMA）”。

據(jù)Schalk博士介紹，這個區(qū)域的出現(xiàn)打斷了中央前回“運(yùn)動侏儒”地圖的連續(xù)性。他們所觀察到患者在完成不同指令過程時RMA均被激活，這說明RMA支配運(yùn)動不具有特異性，其并不通過神經(jīng)纖維直接投射支配某一部位的運(yùn)動，而是參與運(yùn)動的協(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)動的運(yùn)動聯(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)參與生成語言與協(xié)調(diào)音律。而Willett等[5]指出，四肢癱患者的運(yùn)動前區(qū)（BA6區(qū)）參與整合全身的自主運(yùn)動。Gordon等[6]則進(jìn)一步提出，中央前回上存在三個未直接參與投射支配軀體運(yùn)動的區(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。

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

在發(fā)現(xiàn)RMA的過程中，先進(jìn)的神經(jīng)技術(shù)功不可沒。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，這是因為，這些技術(shù)主要記錄大腦淺表的神經(jīng)電活動，而RMA位于中央溝深部，為BA4區(qū)所掩蓋，其電活動相對不易被捕捉到。

正是立體腦電圖的立體定位、能捕捉深部白質(zhì)神經(jīng)電活動的優(yōu)勢促成了新腦區(qū)的發(fā)現(xiàn)。在技術(shù)層面，Gerwin Schalk博士也對先進(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、計算能力的增強(qiáng)以及信號處理/AI算法的日益復(fù)雜，我們現(xiàn)在擁有強(qiáng)大的工具來更多地了解和修改大腦功能?！?/p>

目前，人們越來越深刻認(rèn)識到神經(jīng)技術(shù)的潛力，并開始通過系統(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。“我們與梅奧診所的這項研究有助于更好地利用這些工具來解決不同神經(jīng)系統(tǒng)疾病的破壞性影響。例如，我們目前的發(fā)現(xiàn)可能會促成新的或改進(jìn)的方法來改善不同運(yùn)動障礙的治療，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