动物的身体，包括我们自己，是如何演变成如此精确的运动机器的？这项研究深入探讨了古老脊髓与相对现代的人脑之间相互作用的重要讨论，这种相互作用共同创造了平滑的运动。此外，它还探讨了各种神经系统疾病如何打破这种微妙的平衡，导致慢、无精确度或颤动的运动。它有助于我们理解在自愿运动过程中如何处理感觉信息和控制反射，这对由中风、脑性瘫痪和帕金森病等状况引起的运动障碍具有重要影响。
动物的身体，包括人类，如何演变成如此精确的运动机器？南加州大学阿尔弗雷德·E·曼生物医学工程系的弗朗西斯科·瓦莱罗-库埃瓦斯实验室正在研究非自愿反射与自愿运动之间不断斗争的协调。他们最新的计算研究发表在《美国国家科学院院刊》(PNAS)上，有助于理解在自愿运动中如何处理感觉信息和管理反射——显示出这种干扰如何导致中风、脑性瘫痪和帕金森病等神经疾病的运动障碍。
你还记得儿科医生敲你的膝盖来检查你是否有强烈的膝反射吗？这个经典测试评估了脊髓中的伸展反射，这自然会抵抗肌肉拉伸以维持肌肉张力，帮助你的身体抵抗重力保持直立，或在跌倒后迅速纠正。关于这些反射如何被调整或抑制以实现平滑自愿运动的争论可以追溯到19世纪80年代查尔斯·斯科特·谢林顿的基础研究（没错，就是19世纪80年代！）。这项最新研究讨论了古老脊髓与更高级的人脑如何相互作用以促进平滑运动的关键问题，以及某些神经疾病如何可能打乱这种和谐，导致缓慢、不准确或颤动的运动。
这项研究由生物医学工程博士生格雷斯·尼约主导，揭示了脊髓中可能存在的一个尚未被发现的系统或回路，当其正常工作时，有助于在自愿运动中“调节”反射。尼约表示，这项研究暗示了“在脊髓中以与伸展反射相同的水平调节脊髓反射的理论新机制。”
瓦莱罗-库埃瓦斯是南加州大学的生物医学工程、航空航天与机械工程、电气与计算机工程、计算机科学以及生物动力学与物理治疗方面的教授，是名为《α至γ运动神经元侧支如何在自愿运动中减轻速度依赖性伸展反射的计算研究》的论文的主要作者。
他评论道：“反射是复杂而古老的低层次信息交换方式，伴随人脑的进化而发展并适应……理解它们与大脑的合作对于理解健康和疾病中的运动至关重要。”
瓦莱罗-库埃瓦斯继续说道：“无论我们是否意识到，站立、移动和行动时，我们持续受益于并调整伸展反射。”
他的实验室专注于理解动物和机器人中的神经肌肉控制，这可能会为人类移动的临床康复策略提供信息。
他详细说明：“尽管我们的大脑非常复杂，但我们必须认识到古老脊髓的重要性和力量——这套系统使脊椎动物在大脑演化之前数百万年中茁壮成长。我们寻求理解脊髓如何在最小的大脑输入下促进平滑运动，正如在两栖动物和爬行动物中所见。这一理解可能会深刻影响与大脑、脊髓或两者相关的运动障碍的治疗和理解——也可能导致创建生物启发的假肢或使用模拟脊髓平滑运动的机器人。”
在他们的模拟实验中，尼约带领的团队使用名为MuJoCo的物理模拟软件设计了一只猕猴手臂的生物力学模型，产生了超过一千个伸手的动作。伸展反射的基本原则是，尽管经历拉伸的肌肉会抵抗它，但缩短的肌肉不会表现出伸展反射。他们首先确定，未调节的伸展反射确实会导致自我干扰，从而妨碍自愿的手臂运动。然后，他们引入了一个基本的脊髓回路，其中控制肌肉力量的相同脊髓神经元（称为α运动神经元）也根据肌肉兴奋水平调整（或调节）伸展反射。这意味着高度兴奋的肌肉在拉伸时会表现出强烈的伸展反射反应，反之亦然。他们的研究结果表明，这一简单规则——由于已知的从α运动神经元（也称为侧支）到反射系统的通路而在生理上是可行的——能够显著修正伸展反射带来的自我干扰，从而导致更平滑和更精确的自愿运动。
从现代工程的角度来看，瓦莱罗-库埃瓦斯将这一过程比作“边缘计算”，即信息处理发生在源头（肢体传感器和脊髓）而不仅仅是在中央指挥（大脑）——类似于一些智能手机应用在将信息发送到云服务器之前进行预处理。他举了一个机械类比，指出这些与反射电路的低层次连接就像“自行车上的辅助轮，旨在帮助你在学习骑行时开心，并在你犯错时支持你。”
这些电路可能会促进新颖的自愿运动，扰动较小，但仍会让大脑和小脑在神经系统成熟或获得更多经验时，细化和增强反射控制。
影响：除了改善我们对运动障碍的理解之外，尼约建议这项发现可能为研究者寻找和调查此类脊髓电路打下基础。“这项工作可以作为灵感和方向的来源，开发新的疗法，针对神经系统的适当层次来治疗如中风和脑性瘫痪等运动障碍，”尼约和瓦莱罗-库埃瓦斯说。
该研究的其他共同作者包括南加州大学阿尔弗雷德·E·曼生物医学工程系的博士生拉玛·I·阿尔莫菲兹，以及在研究期间担任南加州大学生物动力学和物理治疗系博士后学者的安德鲁·欧文。
