神经科学家发现“迷你大脑” 可保持身体平衡
凤凰科技讯 北京时间2月2日消息，据科学日报报道，冬天在冰冷的停车场走过且保持直立需要高度集中。但一项最新研究表明当面临这样的挑战时，我们身体试图保持平衡的行为其实是无意识的，而这多亏了脊髓里的一群神经元，后者作为“迷你大脑”能够集合感官信息并对肌肉进行必要的调节以防止身体滑到或摔倒。
脊髓里的一群神经元是防止身体滑到或摔倒的关键
在发表在2015年1月29日的期刊《细胞》上的一篇文章里，美国加州萨克生物研究学院的科学家们描绘了处理轻微触感的脊髓神经元回路。这个回路使得身体可以条件反射地利用脚部的轻触传感器对脚站立的位置和平衡进行微小调整。这项以老鼠为实验对象的研究提供了脊髓作为集合大脑的运动指令和四肢的感官信息的控制中心的第一份细节蓝图。对这些回路的更好理解将最终辅助研发治疗影响运动技巧和平衡的脊髓损伤和疾病的疗法，以及预防老年人摔倒的机制和方法。
“当我们站立和行走时，足底的触觉感受器会检测压力和运动的细微变化，这些感受器会向脊髓随后至大脑发送信号，” 文章高级作者、 萨克生物研究学院的马丁•古尔丁（Martyn Goulding）这样说道。“我们的研究打开了黑盒子，因为在此之前这些信号是如何在脊髓里加密和处理的一直是未知数。此外，触感信息是如何与其它感官信息结合以控制运动和姿势的仍不清楚。”
虽然大脑在大脑成就，例如哲学、数学以及艺术方面起着中心作用，而神经系统的主要作用就是利用从周围环境里收集的信息指导我们的运动。例如在结冰的停车站行走需要集合一系列感觉以防止摔倒。眼睛告诉我们究竟是在冰上还是潮湿的柏油路上走。人耳道里的平衡感受器保持我们的头部与地面平行。肌肉和关节的感受器则追踪手臂和大腿位置的改变。
每一毫秒都有大量信息流流入大脑，其中包括古尔丁研究小组鉴别的光触传输通道的信号。大脑处理这些数据的途径之一就是在感官站，例如眼睛和脊髓里对这些数据进行预处理。例如，在信息进入大脑的视觉中心之前，眼睛有一层神经元和光感受器可以进行视觉计算——这个过程被称为“编码”。至于触感，科学家们一致认为运动的神经学编导依赖于脊髓的数据分析回路。但在此之前，精确鉴别其中涉及的神经元类型以及绘制这些神经元是如何相互结合的是极其困难的。
在这项最新研究里，萨克生物研究学院的科学们揭开了这一微调的感官-运动控制系统之谜。利用依赖于转基因狂犬病毒的先进成像技术，他们追踪了携带了从足底感受器至脊髓连接处的信号的神经纤维。结果发现这些感官纤维会与另一组名为RORα 神经元在脊髓处结合，RORα 神经元是以每个细胞的细胞核内存在的特定分子门类型为名。RORα 神经元会与大脑运动区域的神经元相结合，这表明它可能是大脑和足部之间至关重要的连接。
当古尔丁的研究小组禁用了转基因老鼠脊髓里的RORα 神经元，他们发现这些老鼠对皮肤表面或者脚底绑上黏的胶带的运动的敏感性降低。即便如此，老鼠仍能够在平地上行走和站立。然而，当研究人员让老鼠在狭窄抬高的横梁上行走时——这一任务需要更多努力和技巧——老鼠明显心有余而力不足，相比其它拥有完整RORα 神经元的老鼠，它们显得笨手笨脚。科学家们将之归结于动物在感知足部即将摔倒以及对足部位置和平衡作出相应细微调整时能力的下降。这些运动技巧类似于人类在冰上或者滑的表面平衡时所需要的技巧。
RORα 神经元的另一个重要特征便是它们并不是从大脑和轻触感受器里接受信号，而是与控制运动的腹部脊髓直接相连。因此，它们位于脊髓“迷你大脑”的中心，后者集合了大脑的信号以及感官信号以确保四肢正确的移动。
“我们认为这些神经元是结合所有这些信息并发出让脚移动的指令的‘幕后推手’，”研究第一作者、古尔丁实验室的博士后研究员史蒂夫•布兰纳（Steeve Bourane）这样说道。“如果你站在光滑表面非常长的时间，你会注意到你的肌肉变得僵硬，但你可能没有意识到肌肉一直都在发力。你的身体正在自动驾驶，持续的做出细微的调整，使得你能够自由的完成其它更高难度的任务。”
研究小组的这项调查代表了致力于提供神经系统是如何编码和集成感官信息以产生有意识性和无意识性运动的精确和完整解释的新一波研究的开始。“大脑是如何创造感官感受并将它转化为行为的是神经科学的中心问题之一。” 古尔丁补充说道。“我们的研究提供了运动控制和身体如何感知周围环境背后的神经通道和过程的可靠观点。我们正处于这一领域彻底转变的开始，这真是令人既激动又兴奋。”