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2024

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改写教科书的发现:大脑运动皮层中有一个“身心界面”


当危险或压力来临时,你会感到心跳加快、出汗、身体紧张,甚至“胃里像有蝴蝶在飞”。这些反应要早于你展开任何行动,你想过这是为什么吗?

通过现代大脑成像技术,来自美国圣路易斯华盛顿大学医学院的研究人员发现了大脑运动皮层中的“身心界面”,它分布在早先发现的控制身体不同位置精确运动的区域之间,不仅参与运动规划,还和血压、心跳等生理反应有着很强的功能连接。

相关论文发表于《自然》(Nature)杂志。这一发现有助于解释许多令人费解的现象。例如,为什么焦虑的人会想要来回踱步,为什么经常锻炼的人态度更积极,为什么冥想可以同时平静身体和心灵。身心密不可分的古老哲学,如今得到了脑神经科学的有力验证。

“冥想等做法确实对焦虑的人很有帮助,但此前没有多少科学证据表明,它是如何运作的。但现在我们找到了联系,”文章第一作者、圣路易斯华盛顿大学医学院助理教授埃文·戈登(Evan Gordon)说,“在你的头脑里,有一个高度活跃和目标导向的部分,催促你‘go go go’,它和大脑中控制呼吸和心率的部分相连——如果你让一个冷静下来,另一个一定会有反应。——我们找到了这个地方。”

这个出人意料的发现,直接改写了神经科学教科书。

上世纪30年代,神经外科专家怀尔德·彭菲尔德(Wilder Perfield)通过对接受脑部手术的患者暴露的大脑施加低水平电流刺激,并记录他们的反应,绘制了大脑运动皮层和躯体感觉皮层的拓扑地形图(Cortical Topography)。它们被漫画般地呈现为“运动小人”和“感官小人”,大脑控制区域的排列与其支配的身体部位相对应,头面部在下方,而四肢在上方。

戈登和他的同事们一开始使用功能性磁共振成像(fMRI)复制彭菲尔德的工作。他们招募了七名健康的成年人在休息或执行任务(如眨眼、屈膝或吞咽)时进行数小时的fMRI大脑扫描。利用这个高密度数据集,他们为每个参与者构建了个性化的大脑地图。

接着,他们使用三个大型、公开可用的fMRI数据集——人类连接组项目、青少年大脑认知发展研究和英国生物库——验证了他们的结果,这些数据集包含来自大约5万人的大脑扫描。

令他们惊讶的是,经典的彭菲尔德“大脑地图”并不准确。他们发现,特定效应器区域(effector-specific areas)遵循“同心”结构,而不是线性的对应方式。具体来说,在每个脚/手/嘴区域内,最远的身体部位(例如脚趾)位于该区域的中心,周围是更近端的身体部位(踝-膝-臀部)的同心环。

更关键的是,在彭菲尔德发现的三个特定效应器区域之外,还间隔分布着另外三个相互联系的区域,它们似乎根本没有直接参与运动,而且看上去更薄。进一步的成像实验表明,它们虽然在运动过程中不活跃,但在人们考虑运动时,确实会变得活跃。

值得注意的是,与特定效应器区域相比,它们和扣带盖网络(Cingulo-Opercular Network,简写为“CON”)联系更为紧密,这个网络在大脑中负责思考、计划、精神唤醒、疼痛以及控制内部器官和功能(如血压和心率)等,被认为与注意力缺陷多动障碍、抑郁症、焦虑症、强迫症等多种精神疾病有关。

研究团队将这个新确定的网络命名为“躯体感觉-认知活动网络”(Somato-Cognitive Action Network,简写为“SCAN”)。它位于上述同心环的交点处,而近端身体部位(腹部、眉毛、吞咽)在这个区域呈现非特异性表达——当这些部位激活时,所有三个SCAN区域都共同激活,并且与CON相连。

为了了解SCAN是如何发展和演变的,研究者扫描了一个新生儿、1岁和9岁孩子的大脑,还分析了之前收集的九只猴子的数据。

研究发现,SCAN在新生儿中无法检测到,但在1岁和9岁儿童中明显可见。猴子有一个更小、更基本的系统,没有在人类身上看到的广泛联系。“这可能是一个更简单的系统,将运动与生理相结合,以免站起来时晕倒。但随着我们进化成思维和规划更复杂的生物体时,这个系统升级加入了许多非常复杂的认知元素。”戈登说。

故事在这里变得更为完整。猴子身上的这个“旧系统”,负责全身/总运动控制,向胃和肾上腺等内脏器官投射,以控制生理状态,而这个新发现的系统,进一步控制腹部和眉毛等身体轴向运动,计划行动,可能调节生理并连接到控制网络,“这表明一个能够平衡和预期性调节身体的系统,对整合行动目标和生理更为重要。”

此前,科学家们一直好奇运动皮层与意识状态之间存在的紧密关系,意识状态的变化可以引起运动皮层的神经活动的变化。运动皮层也与帕金森病和脑卒中后遗症等多种运动障碍相关,因此研究运动皮层的神经机制对于理解和治疗这些疾病具有重要的意义。在上述论文中,作者也特别提到了帕金森病,因为其诸多症状跨越运动、生理和意志领域,可能与SCAN相关。