醫(yī)工學(xué)人評(píng)論

揭示小腦在運(yùn)動(dòng)適應(yīng)中的關(guān)鍵作用，為康復(fù)醫(yī)學(xué)、人工智能和機(jī)器人技術(shù)的未來(lái)發(fā)展提供了新思路。

在日常生活中，我們無(wú)時(shí)無(wú)刻不在調(diào)整自己的動(dòng)作：無(wú)論是學(xué)騎自行車(chē)、適應(yīng)新球拍的重量，還是在濕滑的路面上保持平衡，我們的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)都具備強(qiáng)大的適應(yīng)能力。這種能力被稱(chēng)為運(yùn)動(dòng)適應(yīng)（motor adaptation），是人類(lèi)精確控制動(dòng)作、應(yīng)對(duì)復(fù)雜環(huán)境的基礎(chǔ)。

盡管科學(xué)界早已認(rèn)識(shí)到，小腦在運(yùn)動(dòng)控制和協(xié)調(diào)中起著重要作用。許多小腦受損的患者（如中風(fēng)或神經(jīng)退行性疾病患者）常表現(xiàn)出動(dòng)作不協(xié)調(diào)、學(xué)習(xí)新運(yùn)動(dòng)困難。然而，關(guān)于小腦如何與大腦皮層（cerebral cortex）協(xié)同作用，以?xún)?yōu)化運(yùn)動(dòng)適應(yīng)的神經(jīng)機(jī)制，仍然存在諸多未解之謎。

近日，來(lái)自以色列希伯來(lái)大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)在《自然·通訊》發(fā)表了一項(xiàng)重要研究，揭示了小腦如何通過(guò)影響大腦皮層的活動(dòng)，幫助個(gè)體在運(yùn)動(dòng)適應(yīng)過(guò)程中調(diào)整自身的運(yùn)動(dòng)策略。這一發(fā)現(xiàn)不僅加深了我們對(duì)小腦-大腦皮層相互作用的理解，也為腦損傷康復(fù)、人工智能及機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制提供了新的思路。

阻斷小腦信號(hào)，觀察大腦如何補(bǔ)償

為了探究小腦在運(yùn)動(dòng)適應(yīng)中的作用，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一項(xiàng)巧妙的實(shí)驗(yàn)。他們訓(xùn)練恒河猴在佩戴機(jī)械臂（Kinarm系統(tǒng)）的情況下完成一項(xiàng)觸及任務(wù)。實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵在于，在某些訓(xùn)練階段，研究人員人為施加了一種“粘性力場(chǎng)”（viscous force field），類(lèi)似于讓猴子在水下移動(dòng)手臂，使其需要不斷調(diào)整運(yùn)動(dòng)策略來(lái)適應(yīng)這種外力。

科學(xué)家們采用高頻電刺激（HFS）技術(shù)阻斷猴子的小腦輸出，觀察大腦皮層是否能獨(dú)立完成適應(yīng)過(guò)程，以及會(huì)發(fā)生何種變化。

圖1實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與表現(xiàn)結(jié)果

研究發(fā)現(xiàn)：小腦信號(hào)缺失會(huì)導(dǎo)致適應(yīng)受損

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在小腦正常工作的情況下，猴子能夠快速調(diào)整手臂運(yùn)動(dòng)，逐漸適應(yīng)外部施加的力場(chǎng)，使運(yùn)動(dòng)軌跡趨于穩(wěn)定。然而，在小腦信號(hào)被阻斷后，猴子的適應(yīng)能力顯著下降，表現(xiàn)出：

運(yùn)動(dòng)軌跡更加不穩(wěn)定，誤差更大；

學(xué)習(xí)速率降低，適應(yīng)新環(huán)境的時(shí)間明顯延長(zhǎng)；

對(duì)錯(cuò)誤的敏感度下降，無(wú)法像正常情況下那樣通過(guò)“試錯(cuò)”機(jī)制優(yōu)化運(yùn)動(dòng)策略。

這些現(xiàn)象與小腦損傷患者的運(yùn)動(dòng)障礙非常相似，進(jìn)一步證實(shí)了小腦在運(yùn)動(dòng)適應(yīng)中的核心作用。

圖2 高頻電刺激對(duì)適應(yīng)率的影響

圖3 HFS以靶標(biāo)依賴(lài)性和獨(dú)立方式改變神經(jīng)活動(dòng)

進(jìn)一步分析：大腦如何“彌補(bǔ)”小腦的缺失？

盡管小腦受阻后，猴子的運(yùn)動(dòng)適應(yīng)能力下降，但研究人員發(fā)現(xiàn)，大腦皮層的活動(dòng)模式發(fā)生了顯著變化，似乎在嘗試補(bǔ)償小腦的功能。具體表現(xiàn)為：

運(yùn)動(dòng)前的神經(jīng)活動(dòng)變得更加復(fù)雜：相比于正常情況下的低維度、規(guī)則性強(qiáng)的神經(jīng)模式，小腦受阻后，大腦皮層的活動(dòng)維度增加，意味著運(yùn)動(dòng)控制的計(jì)算變得更加混亂。

皮層活動(dòng)的“角度偏移”：研究人員發(fā)現(xiàn)，阻斷小腦后，運(yùn)動(dòng)前的神經(jīng)活動(dòng)在某些特定方向上出現(xiàn)偏移，可能是大腦皮層試圖通過(guò)改變運(yùn)動(dòng)規(guī)劃來(lái)彌補(bǔ)適應(yīng)能力的不足。

為了驗(yàn)證這一現(xiàn)象，研究人員構(gòu)建了計(jì)算模型，模擬小腦與大腦皮層的相互作用。結(jié)果表明，小腦提供的反饋信號(hào)有助于保持大腦皮層運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的低維度結(jié)構(gòu)，使運(yùn)動(dòng)控制更加穩(wěn)定、泛化能力更強(qiáng)。當(dāng)小腦信號(hào)缺失時(shí)，大腦皮層被迫自行調(diào)整，但其適應(yīng)能力和泛化能力受到嚴(yán)重影響。

從腦科學(xué)到人工智能的廣泛應(yīng)用

這項(xiàng)研究不僅深化了我們對(duì)運(yùn)動(dòng)適應(yīng)的神經(jīng)機(jī)制理解，還可能對(duì)多個(gè)領(lǐng)域產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響：

腦損傷康復(fù)：對(duì)于中風(fēng)、帕金森病或其他神經(jīng)系統(tǒng)疾病患者，這項(xiàng)研究表明，小腦受損后，大腦皮層仍能部分補(bǔ)償其功能。未來(lái)的康復(fù)訓(xùn)練可以針對(duì)這一機(jī)制，設(shè)計(jì)促進(jìn)大腦皮層補(bǔ)償性調(diào)整的治療方法，如神經(jīng)調(diào)控技術(shù)或個(gè)性化康復(fù)訓(xùn)練。

人工智能和機(jī)器人控制：目前，大多數(shù)機(jī)器人在適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境（如不規(guī)則地形或未知干擾）方面仍然存在很大挑戰(zhàn)。而人類(lèi)能快速適應(yīng)，是因?yàn)樾∧X在幕后發(fā)揮作用。如果能在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中引入類(lèi)似的小腦反饋機(jī)制，未來(lái)的機(jī)器人可能會(huì)更加靈活和智能，能夠自主適應(yīng)新環(huán)境。

運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練和增強(qiáng)：研究表明，小腦的作用不僅限于適應(yīng)新環(huán)境，還影響運(yùn)動(dòng)技能的泛化能力。這意味著，在運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練、康復(fù)訓(xùn)練、甚至增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和腦機(jī)接口技術(shù)中，都可以利用這些發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)過(guò)程。