科学家们已经识别出大脑中之前未知的神经模块，这些模块控制运动并在技能学习过程中进行调整。他们的发现挑战了长期以来人们对大脑如何组织运动的看法。
近一个世纪以来，科学家们已知人脑皮层的不同部分控制着不同的身体运动。这一基本发现可以追溯到20世纪30年代，当时神经外科医生利用电刺激来绘制不同皮层区域与不同身体部位之间的对应关系。
但是这些区域能否进一步分解为更小的功能组件？研究人员长期以来怀疑特定身体运动的皮层单元比简单的皮层片段更复杂。研究表明，多个层次中堆叠有各种类型的神经元，但对这些神经元如何相互作用以在大脑网络层面上产生特定运动的清晰描述尚未出现。
来自洛桑联邦理工学院（EPFL）、剑桥大学和熊本大学的一项新研究，利用先进的光学和基因技术揭示了新皮层中的一个运动单元包含独特的神经模块-每个模块局限于相应于规划、执行和感知运动的不同区域。更重要的是，这些模块在技能学习过程中不断变化和适应，为理解大脑如何细化运动控制提供了新框架。
该研究由EPFL脑心研究所的Keita Tamura、Pol Bech和Carl Petersen领导。Keita Tamura还参与了剑桥大学和熊本大学的研究。该研究发表在《当前生物学》上。
水平网络与垂直柱状
研究人员通过结合光遗传学（利用光控制神经活动的技术）、高速皮层成像和基于机器学习的运动跟踪来研究小鼠的运动控制。这种方法使他们能够选择性地激活不同类型的神经元，并观察产生的信号如何在大脑中传播以激发运动。
为了测试皮层的空间广泛运动单元是否可以分解为更小的元素，研究人员首先绘制了兴奋性皮层神经元整体控制嘴部运动的位置。然后，他们选择性地刺激了不同类型的神经元。
结果令人惊讶：不同类型的神经元并不是均匀分布的，而是从广泛运动单元内不同的独特子区域控制运动。这些子区域形成一个水平网络的专业模块，这挑战了传统的观点，即皮层是按垂直柱状组织的——即不同类型的神经元从大脑表面垂直堆叠到其更深层次，作为处理单元发挥作用。
相反，该研究表明，皮层运动单元拥有更水平分布和模块化的组织，其中特定神经元类型的模块跨越不同的皮层区域动态相互作用。
大脑重新网络并适应
例如，研究测定小鼠的嘴部运动时，研究人员发现控制嘴部运动的广泛皮层单元内存在小群体的神经元，每个群体由特定类型的神经元组成。尽管每种类型的神经元均匀分布，但它们在涉及运动规划、执行或感知的不同皮层区域中形成功能集群。实际上，这些集群的活动始终朝向这些皮层区域之一，以执行运动。
这挑战了大脑在整齐的垂直柱中处理运动的观点。相反，该研究提出了一个更灵活且水平互连的系统，其中不同的神经元群体共同工作以实现特定功能。
此外，研究人员发现，当小鼠学习新的运动技能时，这些模块的一部分扩展到其他皮层区域。这表明学习技能涉及重新连接这些神经模块之间的联系。换句话说，大脑不仅仅是在运动上“变得更好” —它重组自身以优化控制。
这一发现具有广泛的意义。理解运动单元的结构及其随着学习而变化的方式，可以帮助研究人员为中风或脑损伤等病症开发更好的治疗方法。如果科学家能够揭示当其中一个模块失去功能时，模块网络如何补偿其功能，他们可能能够开发出更高效和精确的康复治疗，比如可能恢复失去的运动功能。
