Nature：左边还是右边？大脑在行动之前就会知道

用半秒钟的时间规划，动物的大脑进行准备就可以快速，准确地执行复杂的动作。霍华德•休斯医学研究所的科学家已经确定了在这个准备期间由大脑发出指令到肌肉运动的神经电路。

Janelia科学家的研究解释了为什么扰乱大脑的开展运动的策划能力的伤害通常损害他或她的身体只是一个侧面做运动的能力。 Janelia组长卡雷尔斯沃博达和他的同事们将他们的研究结果发表在2015年2月26日发行的Nature期刊上。在一个人或其他灵长类动物发起运动的规划期大脑的前皮层的神经元活跃。这些神经元不直接接受感觉输入，也不会直接刺激身体的运动。相反，斯沃博达说，他们的活动代表了一种认知现象。“实际上，你可以从神经元读出动物将会做什么，”他说。 “在人类中，您可以通过脑电波图记录该活动，并且在粗糙的条款读出何时以及一个人会如何运动，在他或她意识到自己将要移动到哪里之前。”

尽管如此，斯沃博达说，曾有过没有直接的证据表明，大脑翻译此预运动信号到运动指令。此外，关于运动前皮质的左侧和右侧是如何影响运动看似相互矛盾的看法仍然使科学家感到困惑。

大部分对运动前皮层的了解是来自于对患者的观察和灵长类动物的实验。中风期间前皮层损伤的患者丧失了规划大脑受损侧的对侧身体动作的能力。“所以，当一个人一侧有病变时，将会有一个强烈的偏侧效应。但和人们在神经生理学实验发现的动态神经元真的不一样，”斯沃博达说。

科学家们在运动前皮层的两侧发现了相等数目的细胞，这些细胞的活动和和身体左侧的运动相连，同样神经元和身体的右侧相连。“它看起来规划活动在大脑两个半球是完全分开的，”斯沃博达博士说。

大约一年前，斯沃博达的研究小组确定了小鼠大脑的行为就像在人类和其他灵长类动物的运动前皮层的区域。他说这开启了进行更精确的实验的机会。
为了了解更多关于这段筹备期神经元的活动是如何影响运动的，团队使用了一种叫做光遗传学技术，即将光敏感蛋白的基因引入到神经元，这样就可以在实验中开启或关闭细胞的激光脉冲。博士后研究人员Nuo Li and Zengcai Guo开发了他们训练的老鼠进行感官提示作出回应的行为任务——一杆的位置可以检测动物胡须——舔向右或向左，后延迟1.3秒让运动规划。

然后Li将小鼠脑前外侧运动皮层前运动皮质状两侧的神经元沉默。光遗传学可以精确到毫秒，所以Li可以在脑运动规划期间特定沉默神经元。沉默右侧的神经元损伤了动物添向左侧的能力，而沉默左侧的神经元损伤了动物添向右侧的能力。但正如其他科学家对灵长类动物和人类做出的研究一样，当Li监测动物的侧前运动皮层的神经活动时，大约每一侧有相同数目的神经元在向身体的每一侧运动之前启动。

许多类型的细胞的蜿蜒途中通过这部分的大脑，以前的实验均无法对混合不同的神经元进行梳理。通过应用新的光遗传学工具研究特定的细胞类型的活动。该小组发现一小群神经元，它们的活性只与动物未来的身体的另一侧运动相连。这些都是锥体束神经元，延伸到产生运行的电机中心。研究专家Tsai-Wen Chen用成像跟随锥体束神经元的活性，并发现在身体相对侧的运动有相同的关系。

“在皮层有一些神经元来保护不同脑区域，”斯沃博达说。“这些输出神经元是一这个区域中小型的细胞，所以如果不加区别的记录所有神经元类型，他们将被淘汰，”斯沃博达说。“要了解大脑是如何工作的，我们真正要研究的是定义神经群体水平的神经代码。”

科学家们发现，他们可以通过刺激锥体束神经元影响动物的舔反应的方向。“如果我们运动准备期间刺激这些神经元，在运动的前几秒，这将导致动物向对侧[反方]方向运动往往会比其他方式多，”斯沃博达说。“这确实显示了在策划这些动作时这些脑区和这些神经元是因果关系。”

“一个非常简单的画面出现，“斯沃博达说。”运动计划是分布在大脑两个半球的，双方交流很强烈。活动分布广泛，涉及与感觉区相互作用的神经元。就在运动之前，这个运动计划是有效地下载到锥体束神经元。在这些神经元中，我们看到一侧神经元强烈的活动。”

对电机规划连接到移动电路有了新的认识，斯沃博达的团队急于开始调查该计划的活动是如何产生的，如何在决定过程中启动运动皮层，以及如何对计划的信息存储，直到运动执行。“你不能写一个计算机程序来生成此基础上我们所知道的神经，”他说。“有真正的奥秘在那里。”

原始出处

Nuo Li, Tsai-Wen Chen, Zengcai V. Guo, Charles R. Gerfen, Karel Svoboda. A motor cortex circuit for motor planning and movement. Nature, 2015;