神經科學家發現“迷你大腦”可保持身體平衡

　　北京時間2月2日消息，據科學日報報道，冬天在冰冷的停車場走過且保持直立需要高度集中。但一項最新研究表明當面臨這樣的挑戰時，我們身體試圖保持平衡的行為其實是無意識的，而這多虧了脊髓里的一群神經元，后者作為“迷你大腦”能夠集合感官信息并對肌肉進行必要的調節以防止身體滑到或摔倒。

脊髓里的一群神經元是防止身體滑到或摔倒的關鍵

　　在發表在2015年1月29日的期刊《細胞》上的一篇文章里，美國加州薩克生物研究學院的科學家們描繪了處理輕微觸感的脊髓神經元回路。這個回路使得身體可以條件反射地利用腳部的輕觸傳感器對腳站立的位置和平衡進行微小調整。這項以老鼠為實驗對象的研究提供了脊髓作為集合大腦的運動指令和四肢的感官信息的控制中心的第一份細節藍圖。對這些回路的更好理解將最終輔助研發治療影響運動技巧和平衡的脊髓損傷和疾病的療法，以及預防老年人摔倒的機制和方法。

　　“當我們站立和行走時，足底的觸覺感受器會檢測壓力和運動的細微變化，這些感受器會向脊髓隨后至大腦發送信號，” 文章高級作者、 薩克生物研究學院的馬丁?古爾丁（Martyn Goulding）這樣說道。“我們的研究打開了黑盒子，因為在此之前這些信號是如何在脊髓里加密和處理的一直是未知數。此外，觸感信息是如何與其它感官信息結合以控制運動和姿勢的仍不清楚。”

　　雖然大腦在大腦成就，例如哲學、數學以及藝術方面起著中心作用，而神經系統的主要作用就是利用從周圍環境里收集的信息指導我們的運動。例如在結冰的停車站行走需要集合一系列感覺以防止摔倒。眼睛告訴我們究竟是在冰上還是潮濕的柏油路上走。人耳道里的平衡感受器保持我們的頭部與地面平行。肌肉和關節的感受器則追蹤手臂和大腿位置的改變。

　　每一毫秒都有大量信息流流入大腦，其中包括古爾丁研究小組鑒別的光觸傳輸通道的信號。大腦處理這些數據的途徑之一就是在感官站，例如眼睛和脊髓里對這些數據進行預處理。例如，在信息進入大腦的視覺中心之前，眼睛有一層神經元和光感受器可以進行視覺計算——這個過程被稱為“編碼”。至于觸感，科學家們一致認為運動的神經學編導依賴于脊髓的數據分析回路。但在此之前，精確鑒別其中涉及的神經元類型以及繪制這些神經元是如何相互結合的是極其困難的。

　　在這項最新研究里，薩克生物研究學院的科學們揭開了這一微調的感官-運動控制系統之謎。利用依賴于轉基因狂犬病毒的先進成像技術，他們追蹤了攜帶了從足底感受器至脊髓連接處的信號的神經纖維。結果發現這些感官纖維會與另一組名為RORα 神經元在脊髓處結合，RORα 神經元是以每個細胞的細胞核內存在的特定分子門類型為名。RORα 神經元會與大腦運動區域的神經元相結合，這表明它可能是大腦和足部之間至關重要的連接。

　　當古爾丁的研究小組禁用了轉基因老鼠脊髓里的RORα 神經元，他們發現這些老鼠對皮膚表面或者腳底綁上黏的膠帶的運動的敏感性降低。即便如此，老鼠仍能夠在平地上行走和站立。然而，當研究人員讓老鼠在狹窄抬高的橫梁上行走時——這一任務需要更多努力和技巧——老鼠明顯心有余而力不足，相比其它擁有完整RORα 神經元的老鼠，它們顯得笨手笨腳。科學家們將之歸結于動物在感知足部即將摔倒以及對足部位置和平衡作出相應細微調整時能力的下降。這些運動技巧類似于人類在冰上或者滑的表面平衡時所需要的技巧。

　　RORα 神經元的另一個重要特征便是它們并不是從大腦和輕觸感受器里接受信號，而是與控制運動的腹部脊髓直接相連。因此，它們位于脊髓“迷你大腦”的中心，后者集合了大腦的信號以及感官信號以確保四肢正確的移動。

　　“我們認為這些神經元是結合所有這些信息并發出讓腳移動的指令的‘幕后推手’，”研究第一作者、古爾丁實驗室的博士后研究員史蒂夫?布蘭納（Steeve Bourane）這樣說道。“如果你站在光滑表面非常長的時間，你會注意到你的肌肉變得僵硬，但你可能沒有意識到肌肉一直都在發力。你的身體正在自動駕駛，持續的做出細微的調整，使得你能夠自由的完成其它更高難度的任務。”

　　研究小組的這項調查代表了致力于提供神經系統是如何編碼和集成感官信息以產生有意識性和無意識性運動的精確和完整解釋的新一波研究的開始。“大腦是如何創造感官感受并將它轉化為行為的是神經科學的中心問題之一。” 古爾丁補充說道。“我們的研究提供了運動控制和身體如何感知周圍環境背后的神經通道和過程的可靠觀點。我們正處于這一領域徹底轉變的開始，這真是令人既激動又興奮。”