劉 展

近年來(lái)，腦成像技術(shù)和計(jì)算機(jī)科學(xué)的革命性進(jìn)步使研究人員能夠以不尋常的方式深入研究小腦的結(jié)構(gòu)、神經(jīng)元活動(dòng)，以及對(duì)小腦疾病干預(yù)后的功能變化。這些新技術(shù)包括功能核磁共振成像（functional magnetic resonance imaging，fMRI）、彌散張量成像（diffusion tensor Imaging，DTI）、超分辨率徑跡密度成像（super resolution track-density imaging，TDI）、多光子成像（ multi-photon microscopy，MPM）、激光雙光子顯微鏡（two-photon laser scanning microscopy，LSM）和功能性近紅外光譜技術(shù)（functional near infrared spectroscopy，fNIRS）等。新技術(shù)的使用促進(jìn)了小腦研究的新成果和新發(fā)現(xiàn)。例如，fMRI結(jié)果顯示，小腦中網(wǎng)絡(luò)的大小是大腦皮層中網(wǎng)絡(luò)大小的兩倍。涉及高級(jí)思維過(guò)程的額頂神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)所占的小腦比例比大腦皮層的比例更大（Marek et al.，2018）。這一發(fā)現(xiàn)暗示了小腦在高級(jí)認(rèn)知中的作用。fMRI是一種掃描腦部和身體的成像技術(shù)。由于腦細(xì)胞消耗的能量與血流變化有關(guān)，當(dāng)人腦某個(gè)區(qū)域使用時(shí)，流向該區(qū)域的血液也會(huì)增加。因此，基于腦血流和神經(jīng)元激活耦合的事實(shí)，fMRI可通過(guò)檢測(cè)血流變化來(lái)測(cè)量腦部活動(dòng)（Skipper et al.，2014）。fMRI也可用于繪制腦部或脊髓的神經(jīng)活動(dòng)圖，從而開(kāi)展對(duì)人類(lèi)或動(dòng)物的研究。另一種新興成像技術(shù)是DTI，也被稱(chēng)為彌散張量成像核磁共振（DT-MRI）技術(shù)，是一種基于磁共振成像的神經(jīng)影像技術(shù)。其主要機(jī)制是依賴(lài)于平行束中軸突的結(jié)構(gòu)及其髓鞘屏蔽，促進(jìn)水分子沿其主要方向彌散的原理，通過(guò)測(cè)量彌散量來(lái)比較白質(zhì)纖維束中平行于軸突和垂直于軸突纖維的方向，并進(jìn)行顏色編碼，繪制出各區(qū)域的位置、方向和各向異性的圖像（圖1）。DTI被視為細(xì)胞結(jié)構(gòu)的敏感探針，允許直接體內(nèi)檢查組織的微觀(guān)結(jié)構(gòu)。該技術(shù)利用彌散各向異性來(lái)提供大腦細(xì)節(jié)，可用于識(shí)別大腦的主要白質(zhì)區(qū)，估算大腦白質(zhì)神經(jīng)纖維束的位置、方向和各向異性（Manenti et al.，2007），有助于研究和揭示腦不同區(qū)域之間的連接，掃描和診斷深層的腦結(jié)構(gòu)變化，以及評(píng)估許多疾病過(guò)程（包括創(chuàng)傷和腦瘤）對(duì)大腦的損害（Basser et al.，2000；Charlton et al.，2008；Karavasilis et al.，2019）。超分辨率徑跡密度成像（super resolution track-density imaging，TDI）作為一種新穎的腦成像技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于神經(jīng)科學(xué)和臨床研究中。TDI可以產(chǎn)生高質(zhì)量和高清晰度的腦白質(zhì)圖像，具有高空間分辨率和出色的解剖對(duì)比度（Calamante et al.，2011），有助于對(duì)白質(zhì)在腦和精神疾病中的作用進(jìn)行深入研究（Dai et al.，2018）。

圖1 皮層-小腦通道彌散張量成像（Karavasilis et al.，2019）Figure 1. Diffusion Tensor Imaging of Cerebro-Cerebellar Pathways

實(shí)驗(yàn)室的研究結(jié)果和臨床的觀(guān)察數(shù)據(jù)，使人們?cè)絹?lái)越意識(shí)到小腦系統(tǒng)可能參與多種類(lèi)型的學(xué)習(xí)以及情緒反應(yīng)，在身體運(yùn)動(dòng)、認(rèn)知、情感、語(yǔ)言和社交方面均發(fā)揮重要的作用（羅程 等，2017；Stoodley，2012；Stoodley et al.，2009）。本文試圖通過(guò)對(duì)神經(jīng)科學(xué)研究文獻(xiàn)的查閱和結(jié)果分析，介紹小腦的基本結(jié)構(gòu)和功能，總結(jié)近年來(lái)有關(guān)小腦運(yùn)動(dòng)與非運(yùn)動(dòng)功能研究的新發(fā)現(xiàn)，并闡述這些小腦功能新發(fā)現(xiàn)在運(yùn)動(dòng)技能學(xué)習(xí)應(yīng)用中的啟示。

1 小腦的基本結(jié)構(gòu)與功能

人腦由大腦、小腦、間腦和腦干組成，共有860億多個(gè)神經(jīng)元（細(xì)胞），不均衡地分布在大腦皮層、小腦和皮層下核（Azevedo et al.，2009）。由于大腦皮層含有豐富的較大神經(jīng)元、樹(shù)突、軸、突觸、神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞和龐大的貫穿腦白質(zhì)的軸突分布，盡管其體積約占人腦總體積的82%，但大腦皮層只含有160億個(gè)神經(jīng)元，約占人腦神經(jīng)元總數(shù)的19%。小腦位于顱骨的底部，僅占人腦總體積的10%，但卻容納人腦總神經(jīng)元的80%，約690億個(gè)神經(jīng)元（圖2），其中大部分神經(jīng)元是微小的顆粒細(xì)胞（Lent et al.，2012）。小腦由3個(gè)不同的功能葉組成：絨球小結(jié)葉、前葉和后葉。絨球小結(jié)葉（flocculonodular lobe）被稱(chēng)為“前庭小腦”或“原小腦”，主要處理來(lái)自前庭系統(tǒng)的信息，調(diào)節(jié)軀體平衡。前葉（anterior lobe）也被稱(chēng)為“脊髓小腦”或“舊小腦”，占據(jù)了頂骨區(qū)（小腦的中央）和中間區(qū)。前葉負(fù)責(zé)處理來(lái)自頭部、頸部、上肢、軀干和下肢的感覺(jué)信息，主要功能是抑制和調(diào)節(jié)肌緊張。后葉（posterior lobe）也被稱(chēng)為“新小腦”，占據(jù)小腦的外側(cè)半球。后葉負(fù)責(zé)處理來(lái)自脊髓和上位腦結(jié)構(gòu)傳入的信息，調(diào)節(jié)身體運(yùn)動(dòng)的計(jì)劃和起始，協(xié)調(diào)隨意運(yùn)動(dòng)。小腦的神經(jīng)元和組織密集，小腦神經(jīng)元是通過(guò)電信號(hào)傳輸信息的專(zhuān)用細(xì)胞，并且細(xì)胞結(jié)構(gòu)均勻，具有無(wú)氧糖酵解和適應(yīng)性可塑性的特征（Van Essen et al.，2018）。

圖2 小腦中與大腦皮層中的神經(jīng)元數(shù)量（Lent et al.，2012）Figure 2. The Number of Neurons in Cerebellum and Cerebral Cortex

小腦最著名的功能是協(xié)調(diào)身體活動(dòng)和學(xué)習(xí)新的運(yùn)動(dòng)技能。小腦從感覺(jué)系統(tǒng)、脊髓和大腦的其他部位接收信息，然后調(diào)節(jié)和控制諸如姿勢(shì)、平衡、言語(yǔ)之類(lèi)的自愿運(yùn)動(dòng)。小腦還可調(diào)節(jié)平衡，協(xié)調(diào)精細(xì)動(dòng)作的完成，使人們能夠快速而平穩(wěn)地移動(dòng)。雖然小腦不被認(rèn)為可以引發(fā)或啟動(dòng)身體運(yùn)動(dòng)，但其有助于組織參與特定運(yùn)動(dòng)的肌肉群的所有動(dòng)作，以確保身體能夠平衡，保持一定的體姿，進(jìn)而產(chǎn)生流暢、協(xié)調(diào)的運(yùn)動(dòng)。一個(gè)簡(jiǎn)單的例子為大腦的運(yùn)動(dòng)皮層告訴人的腿開(kāi)始行走，而小腦使其步幅平穩(wěn)、速度均衡。小腦損害可能會(huì)導(dǎo)致身體不平衡，運(yùn)動(dòng)緩慢和顫抖，甚至中斷。此外小腦還參與順序性、適應(yīng)性以及粗大和精細(xì)運(yùn)動(dòng)技能的學(xué)習(xí)（Buckner et al.，2013），在運(yùn)動(dòng)技能學(xué)習(xí)中起著至關(guān)重要的作用。當(dāng)一個(gè)人學(xué)習(xí)騎自行車(chē)或打羽毛球等新運(yùn)動(dòng)技能時(shí)，通常會(huì)經(jīng)歷反復(fù)嘗試-錯(cuò)誤的過(guò)程。小腦通過(guò)不斷地調(diào)控身體運(yùn)動(dòng)，協(xié)調(diào)粗大和精細(xì)動(dòng)作，最終實(shí)現(xiàn)完美地執(zhí)行動(dòng)作，這種運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)是小腦與大腦不同區(qū)域結(jié)構(gòu)可塑性變化以及功能上連接增強(qiáng)的結(jié)果。需要特別注意的是，小腦與同側(cè)身體功能有關(guān)。因此，無(wú)論何時(shí)小腦連接到具有交叉功能的大腦部分（如大腦皮層），連接都必須交叉。前庭小腦即絨球小結(jié)葉是前庭系統(tǒng)的重要調(diào)節(jié)器。前庭系統(tǒng)的損害會(huì)導(dǎo)致眩暈和眼球震顫。然而，前庭小腦最重要的功能是允許適應(yīng)前庭損傷。如果前庭小腦也受傷，則不會(huì)發(fā)生此補(bǔ)償。前庭眼反射一直是小腦可塑性研究的基礎(chǔ)，因?yàn)檫@種反射在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中保持眼睛穩(wěn)定并適應(yīng)前庭損傷方面具有精確作用（James，1971）。

2 小腦運(yùn)動(dòng)功能研究新發(fā)現(xiàn)

2.1 小腦的同側(cè)遷移效果

神經(jīng)科學(xué)的研究已表明，小腦參與程序性工作記憶和運(yùn)動(dòng)記憶。這些記憶功能都是空間事項(xiàng)信息處理和程序性運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)的重要特征（Leggio et al.，1999；Mandolesi et al.，2011；Spampinato et al.，2017a）。眾所周知，小腦在適應(yīng)性運(yùn)動(dòng)技能學(xué)習(xí)中起著重要的作用。然而，小腦與大腦運(yùn)動(dòng)皮層（Motor Cortex-M1）之間的連接是確保正常身體運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵。小腦的齒狀核通過(guò)腹側(cè)丘腦以興奮性突觸投射至大腦運(yùn)動(dòng)皮層，小腦通過(guò)齒狀核丘腦皮質(zhì)回路來(lái)降低大腦運(yùn)動(dòng)皮層的活性，被稱(chēng)為小腦抑制（Spampinato et al.，2017b）。Spampinato 等（2017b）對(duì)小腦在適應(yīng)性視覺(jué)運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)時(shí)的抑制變化，以及這種變化是否是皮層特定區(qū)域性的進(jìn)行了創(chuàng)新研究。經(jīng)顱磁刺激（TMS）技術(shù)常用于研究人們學(xué)習(xí)新運(yùn)動(dòng)技能時(shí)腦中神經(jīng)連接的變化。在Spampinato等研究中，TMS技術(shù)被用來(lái)測(cè)量從小腦到齒狀核的抑制性投射。該研究共招募了32名志愿者作為被試，志愿者分別單獨(dú)坐在計(jì)算機(jī)屏幕前，學(xué)習(xí)操作綁在右手中指的無(wú)線(xiàn)控制電子筆來(lái)完成一系列需要眼手協(xié)調(diào)配合的運(yùn)動(dòng)任務(wù)。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)被試學(xué)習(xí)這種用手移動(dòng)的視覺(jué)運(yùn)動(dòng)任務(wù)時(shí)，小腦的抑制水平發(fā)生了改變。有趣的是，測(cè)量同側(cè)未進(jìn)行視覺(jué)運(yùn)動(dòng)的小腿肌肉（脛骨前肌肉）的小腦活動(dòng)情況，驚奇地觀(guān)察到了類(lèi)似的小腦抑制變化。也就是說(shuō)，這種小腦抑制變化效應(yīng)還遷移到了沒(méi)有進(jìn)行過(guò)學(xué)習(xí)和訓(xùn)練的同側(cè)小腿肌肉上，用手進(jìn)行的適應(yīng)性學(xué)習(xí)不僅會(huì)影響訓(xùn)練手的小腦-大腦運(yùn)動(dòng)皮層的連接，還會(huì)影響到未經(jīng)過(guò)訓(xùn)練的腿部肌肉的小腦-大腦運(yùn)動(dòng)皮層的連接。該研究結(jié)果表明，同側(cè)身體的運(yùn)動(dòng)效應(yīng)器（肌肉）之間存在學(xué)習(xí)遷移的現(xiàn)象，小腦可以將運(yùn)動(dòng)技能學(xué)習(xí)的效果從身體的一部分轉(zhuǎn)移到另一部分。該研究結(jié)果為小腦與大腦運(yùn)動(dòng)皮層之間存在密切的聯(lián)系和可塑性提供了直接的證據(jù)。

值得注意的是，大腦對(duì)身體運(yùn)動(dòng)的控制是交叉性的，即大腦的左半球運(yùn)動(dòng)皮層控制著身體右側(cè)的運(yùn)動(dòng)。而Spampinato等（2017b）的研究結(jié)果表明，小腦對(duì)身體運(yùn)動(dòng)的控制則是同側(cè)的，即小腦的左半球控制身體左側(cè)的運(yùn)動(dòng)，與大腦對(duì)身體運(yùn)動(dòng)的交叉控制截然相反。該研究還調(diào)查了小腦變化是否是學(xué)習(xí)新運(yùn)動(dòng)技能時(shí)所特有的，測(cè)量小腦與大腦運(yùn)動(dòng)皮層之間的連接發(fā)現(xiàn)，執(zhí)行熟悉的視覺(jué)運(yùn)動(dòng)任務(wù)時(shí)，小腦-大腦的連接活動(dòng)并沒(méi)有發(fā)生改變，而學(xué)習(xí)新任務(wù)時(shí)卻發(fā)生了明顯變化。解釋其中原因，Spampinato等認(rèn)為，學(xué)習(xí)新的運(yùn)動(dòng)技能時(shí)需要小腦與大腦之間更多的溝通與聯(lián)系，而在熟練掌握這些運(yùn)動(dòng)技能后，人腦會(huì)以更加簡(jiǎn)單和有效的方式進(jìn)行操作和控制，更依賴(lài)于儲(chǔ)存在小腦中的運(yùn)動(dòng)記憶來(lái)完成運(yùn)動(dòng)技能。另外，該研究后續(xù)對(duì)只進(jìn)行手部和腿部動(dòng)作預(yù)備時(shí)的小腦抑制水平變化進(jìn)行了檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)手部和腿部在動(dòng)作預(yù)備期間的小腦抑制水平也發(fā)生了變化。該研究結(jié)果顯示，與運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)有關(guān)的小腦抑制變化具有皮層特定區(qū)域性。前期神經(jīng)影像學(xué)研究結(jié)果證明，小腦皮層具有調(diào)控上肢和下肢表達(dá)粗大運(yùn)動(dòng)的特定區(qū)域（Buckner et al.，2011；Stoodley et al.，2009）。該研究結(jié)果表明，小腦皮層具有調(diào)控上肢精細(xì)運(yùn)動(dòng)的特定區(qū)域。Spampinato等認(rèn)為，小腦的不同部位專(zhuān)門(mén)對(duì)應(yīng)特定的身體部位，遵循小腦皮層與執(zhí)行器之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。這項(xiàng)研究還表明，在運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)出現(xiàn)和未出現(xiàn)的情況下小腦與大腦運(yùn)動(dòng)皮層M1連接反應(yīng)的調(diào)控具有皮層特定區(qū)域性。這意味著對(duì)身體不同部位活動(dòng)的控制不僅是大腦皮層特定區(qū)域的功能，而且也是小腦與大腦運(yùn)動(dòng)皮層連接反應(yīng)調(diào)控的結(jié)果，反映了皮層特定區(qū)域的可塑性機(jī)制。而運(yùn)動(dòng)前的小腦抑制可能是由于浦肯野細(xì)胞和深部小腦核的活動(dòng)模式所引起的（Celnik，2015）。在預(yù)備特定的肌肉運(yùn)動(dòng)時(shí)，小腦皮層可能通過(guò)小腦-丘腦-大腦運(yùn)動(dòng)皮層通路來(lái)降低其對(duì)大腦運(yùn)動(dòng)皮層的抑制作用，使大腦運(yùn)動(dòng)皮層在運(yùn)動(dòng)預(yù)備時(shí)興奮性增強(qiáng)。這些發(fā)現(xiàn)顯示，小腦的興奮性以及與大腦運(yùn)動(dòng)皮層的連接的改變與運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)有關(guān)，而小腦在運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)時(shí)發(fā)生的抑制性變化則表明了小腦可塑性的改變。已有研究結(jié)果表明，小腦皮層中苔狀纖維和中間神經(jīng)元具有長(zhǎng)時(shí)程增強(qiáng)（long term potentiation，LTP），而平行纖維和浦肯野細(xì)胞具有長(zhǎng)時(shí)程抑制（long term depression，LTD），這兩種突觸可塑性對(duì)運(yùn)動(dòng)技能學(xué)習(xí)非常重要（D’Angelo，2005；Grasselli et al.，2014）。在運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)中，小腦的突觸可塑性變化對(duì)運(yùn)動(dòng)行為的改變起到一定的作用。任何未經(jīng)訓(xùn)練效應(yīng)器的小腦抑制變化都可能與運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)遷移有關(guān)。

2.2 小腦顆粒細(xì)胞參與運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)的新發(fā)現(xiàn)

小腦顆粒細(xì)胞形成小腦皮層的顆粒層，是腦中最小的神經(jīng)元之一，也是數(shù)量最多的神經(jīng)元。顆粒細(xì)胞從苔狀纖維接收信息傳入，并對(duì)信息進(jìn)行組合編碼。傳統(tǒng)理論認(rèn)為，由于每個(gè)顆粒細(xì)胞僅接收4～5個(gè)苔狀纖維所輸入的信息，顆粒細(xì)胞需要多個(gè)苔狀纖維輸入處于活躍狀態(tài)才會(huì)作出響應(yīng)，并把組合編碼的信息通過(guò)輸出神經(jīng)元——浦肯野細(xì)胞發(fā)送到小腦的其他部位，后者將信息處理后再發(fā)送到大腦的其他部位，包括支配和控制身體運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)皮層神經(jīng)元（Albus，1971；Marr，1969）。根據(jù)這種理論，小腦顆粒細(xì)胞存在特定的輸入模式，其活動(dòng)是稀疏而非集中群體性的，并且只對(duì)從外部世界收集的信息進(jìn)行編碼。

普林斯頓神經(jīng)科學(xué)研究所和貝勒醫(yī)學(xué)院的研究人員使用先進(jìn)的激光雙光子顯微鏡（LMS）成像技術(shù)來(lái)解密小腦中的顆粒細(xì)胞信號(hào)（Giovannucci et al.，2017）。LMS成像技術(shù)是一種熒光成像技術(shù)，可以在常規(guī)（單光子）熒光或共聚焦顯微鏡無(wú)法實(shí)現(xiàn)的深度，對(duì)活組織進(jìn)行更清晰、更深層次的觀(guān)察，從而使得能夠?qū)^厚的組織標(biāo)本（例如腦片、腫瘤、淋巴結(jié)外植體）以及小動(dòng)物模型的活體進(jìn)行觀(guān)察和研究。它依賴(lài)于雙光子吸收原理，可以產(chǎn)生針對(duì)單個(gè)突觸或突觸組的刺激模式，因此可用來(lái)研究神經(jīng)連接和信號(hào)傳導(dǎo)。該研究是第一個(gè)探索活體動(dòng)物學(xué)習(xí)新任務(wù)時(shí)小腦顆粒細(xì)胞活動(dòng)的研究。研究人員使用LMS捕獲了小腦中單個(gè)顆粒細(xì)胞的圖像，并觀(guān)察到在學(xué)習(xí)新運(yùn)動(dòng)任務(wù)中密集的顆粒細(xì)胞群體被激活，而且隨著訓(xùn)練的繼續(xù)，被激活的顆粒細(xì)胞數(shù)量也在增加。研究發(fā)現(xiàn)，在學(xué)習(xí)新任務(wù)時(shí)小腦中許多顆粒細(xì)胞同時(shí)活躍，具有整體活性模式，并且小腦顆粒細(xì)胞既對(duì)外部感覺(jué)信息進(jìn)行編碼，又對(duì)來(lái)自大腦其他部位的信息進(jìn)行編碼，不僅產(chǎn)生預(yù)測(cè)，而且在接受預(yù)測(cè)，它們與大腦其他區(qū)域保持持續(xù)的聯(lián)系與溝通，不斷處理信息并隨時(shí)更新信息。這項(xiàng)新發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)的小腦功能理論相反，揭示曾經(jīng)被認(rèn)為只能控制和調(diào)節(jié)身體運(yùn)動(dòng)的小腦，實(shí)際上在學(xué)習(xí)新事物和技能的認(rèn)知過(guò)程中起著復(fù)雜和重要的作用。

3 小腦非運(yùn)動(dòng)功能研究新發(fā)現(xiàn)

長(zhǎng)期以來(lái)，人們認(rèn)為小腦與腦的其余部分尤其是大腦幾乎是分開(kāi)的，小腦控制和調(diào)節(jié)與認(rèn)知無(wú)關(guān)的無(wú)意識(shí)或潛意識(shí)自動(dòng)化身體運(yùn)動(dòng)，例如本體感覺(jué)、身體平衡和動(dòng)作協(xié)調(diào)等。然而自20世紀(jì)80年代后期以來(lái)，研究證據(jù)表明，小腦與多種非運(yùn)動(dòng)功能有關(guān)，包括認(rèn)知、情感和社交等（馬碧 等，2013；彭洪衛(wèi) 等，2015；Carta et al.，2019；Schmahmann et al.，1998；Stoodley，2012；Stoodley et al.，2009；Swenson，2006）。

分析人腦不同區(qū)域的發(fā)育時(shí)間與發(fā)展軌跡發(fā)現(xiàn)，其他腦區(qū)域的發(fā)育窗口跨越數(shù)周或數(shù)月，如參與高級(jí)大腦功能（認(rèn)知，感官知覺(jué)和語(yǔ)言等）的新皮層細(xì)胞，當(dāng)胎兒仍在子宮中妊娠時(shí)大部分已形成。與之不同的是，小腦的發(fā)育時(shí)間表較長(zhǎng)，小腦的浦肯野細(xì)胞（Purkinje Cells）在妊娠第7周初開(kāi)始與干細(xì)胞前體分化，但新細(xì)胞直到嬰兒快1歲才出現(xiàn)。這種較長(zhǎng)的成熟窗口使小腦與整個(gè)腦的其他區(qū)域建立了完整的聯(lián)系，例如與大腦皮層的廣泛連接，而大腦的皮層在感知、注意力、驚醒、思想、記憶、語(yǔ)言和意識(shí)中起著關(guān)鍵的作用，因此擴(kuò)大了對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)疾病易感性的范圍（Dobbing，1975；Sathyanesan et al.，2019）。Sathyanesan等（2019）認(rèn)為，發(fā)育周期長(zhǎng)和與整個(gè)腦區(qū)域的廣泛連接，這兩個(gè)特征是小腦參與多種神經(jīng)發(fā)育障礙的根源。

3.1 小腦認(rèn)知研究新進(jìn)展

3.1.1 新的大腦圖暗示了小腦在認(rèn)知和語(yǔ)言中的作用

近年，華盛頓大學(xué)Marek等（2018）使用一種特殊的“精確映射”的fMRI技術(shù)來(lái)研究腦連接，繪制了人類(lèi)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)圖。該技術(shù)能夠量化小腦與其他腦區(qū)域之間的各種連接。他們發(fā)現(xiàn)，只有20%的小腦與身體運(yùn)動(dòng)有關(guān)的大腦區(qū)域相連接，而80%的小腦則與抽象思維、計(jì)劃、情感、記憶和語(yǔ)言等功能有關(guān)的大腦區(qū)域相連接。該項(xiàng)對(duì)腦部掃描的新分析，突出顯示了小腦神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)水平上的變化，以及小腦區(qū)域與大腦區(qū)域活動(dòng)的程度。基于這些相關(guān)性，研究人員將小腦區(qū)域分配給各種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，包括背側(cè)注意力網(wǎng)絡(luò)，默認(rèn)模式網(wǎng)絡(luò)以及控制手、臉和腳的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。評(píng)估這些網(wǎng)絡(luò)在每個(gè)人中的相對(duì)規(guī)模和位置，他們發(fā)現(xiàn)小腦網(wǎng)絡(luò)組織存在較大的個(gè)體差異。另外，結(jié)果還揭示，小腦中網(wǎng)絡(luò)的大小是大腦皮層中網(wǎng)絡(luò)大小的兩倍，而且涉及高級(jí)思維過(guò)程的額頂神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)所占的小腦比例（23%）比大腦皮層的比例（10%）更大，表明小腦在高級(jí)認(rèn)知尤其是對(duì)人們的思想有質(zhì)量控制的作用。研究小組還分析了掃描腦活動(dòng)的相對(duì)時(shí)間，發(fā)現(xiàn)小腦網(wǎng)絡(luò)中的信號(hào)比大腦皮層中的信號(hào)落后125～380 ms，表明小腦處理源自大腦皮層的信號(hào)，以便監(jiān)督大腦的活動(dòng)。研究認(rèn)為，小腦不會(huì)直接執(zhí)行諸如思考的任務(wù)，就像它不會(huì)直接控制運(yùn)動(dòng)一樣。它的主要功能在于監(jiān)視正在工作的大腦區(qū)域，使它們表現(xiàn)地更好更有效。這種功能類(lèi)似是一種編輯，可以不斷地審查和改善一個(gè)人的思想和決策，使運(yùn)動(dòng)控制、認(rèn)知、情感、社會(huì)行為等過(guò)程更順暢、更快、更準(zhǔn)確。小腦會(huì)自動(dòng)執(zhí)行和監(jiān)控這些操作，從而使有意識(shí)的大腦專(zhuān)注于更重要的事情。

3.1.2 小腦參與視覺(jué)感知的調(diào)控

長(zhǎng)期以來(lái)，人們認(rèn)為視覺(jué)知覺(jué)完全屬于大腦的功能，大腦皮層和皮層下結(jié)構(gòu)負(fù)責(zé)視覺(jué)感知信息的處理與分析，這種功能是以視網(wǎng)膜與大腦特定區(qū)域的連接而進(jìn)行的。然而，有研究表明，大腦皮層的視覺(jué)區(qū)域與小腦在功能上緊密連接（Brissenden，et al.，2016；Buckner et al.，2011）。為了進(jìn)一步確定小腦與視覺(jué)的關(guān)系，荷蘭研究人員對(duì)小腦的視覺(jué)空間功能區(qū)域圖進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)小腦與視覺(jué)感知密切相關(guān)（van Es et al.，2019）。研究人員使用fMRI技術(shù)發(fā)現(xiàn)，在小腦的感覺(jué)運(yùn)動(dòng)區(qū)域，其功能通過(guò)身體同側(cè)特征而表現(xiàn)出來(lái)，小腦包含5種同側(cè)視覺(jué)空間功能區(qū)，對(duì)視覺(jué)感知有強(qiáng)烈的反應(yīng)。研究人員還量化了視野覆蓋和功能區(qū)域分布。結(jié)果顯示，在眼球運(yùn)動(dòng)區(qū)域，認(rèn)知功能例如注意力、工作記憶以及視覺(jué)運(yùn)動(dòng)信息的整合效應(yīng)分別位于小腦的3個(gè)不同區(qū)域，而且小腦含有豐富的視覺(jué)空間信息，并可根據(jù)已知的視網(wǎng)膜特性對(duì)這些信息進(jìn)行組織與處理。這項(xiàng)研究也揭示了小腦在視覺(jué)空間信號(hào)的選擇性方面起著一定的作用。結(jié)合先前的研究，表明小腦對(duì)于認(rèn)知功能（例如感知和記憶）至關(guān)重要。當(dāng)小腦不能發(fā)揮正常作用時(shí)，可能導(dǎo)致腦部疾病或功能障礙（Marek et al.，2018；Wang et al.，2014）。因此，要了解腦和治愈腦部疾病，還需要檢查小腦的功能。

3.1.3 小腦參與獎(jiǎng)賞期望的編碼和調(diào)控

Strick等（2009）首次證明了小腦有助于控制大腦的獎(jiǎng)賞回路。該研究的目的在于探究小腦與大腦腹側(cè)被蓋區(qū)（VTA）是否存在直接聯(lián)系。大腦腹側(cè)被蓋區(qū)長(zhǎng)期以來(lái)被認(rèn)為參與獎(jiǎng)賞處理和編碼，是控制獎(jiǎng)賞和激勵(lì)行為的大腦結(jié)構(gòu)。一旦確定了小腦與大腦腹側(cè)被蓋區(qū)之間的神經(jīng)聯(lián)系，便可以研究小腦到大腦腹側(cè)被蓋區(qū)的輸入是否能夠影響?yīng)勝p和社會(huì)偏好行為。研究人員使用光遺傳技術(shù)，激活連接到大腦腹側(cè)被蓋區(qū)域的小腦神經(jīng)元發(fā)現(xiàn)，當(dāng)小鼠按下操縱桿時(shí)，會(huì)激活一些顆粒細(xì)胞。當(dāng)小鼠等待或獲得獎(jiǎng)賞時(shí)，另一組顆粒細(xì)胞會(huì)被激活。而當(dāng)取消獎(jiǎng)賞時(shí)，小腦中又另一組顆粒細(xì)胞被激活。激活小腦神經(jīng)元導(dǎo)致大腦腹側(cè)被蓋區(qū)域的激活增加，表明這兩個(gè)腦結(jié)構(gòu)之間存在直接和有效的神經(jīng)連接。

Wagner等（2017）使用雙光子鈣成像（two-photo calcium imaging）技術(shù)實(shí)時(shí)記錄神經(jīng)元的活動(dòng)發(fā)現(xiàn)，小腦內(nèi)的特定顆粒細(xì)胞會(huì)學(xué)習(xí)并響應(yīng)預(yù)期的獎(jiǎng)賞或缺乏獎(jiǎng)賞。Wagner等開(kāi)始這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)時(shí)，最初只是期望發(fā)現(xiàn)顆粒細(xì)胞的活動(dòng)與計(jì)劃和執(zhí)行身體運(yùn)動(dòng)有關(guān)。同Strick等（2009）的研究結(jié)果相似，該研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)小鼠獲得期望的含糖獎(jiǎng)賞時(shí)，一些顆粒細(xì)胞被激活和發(fā)射信號(hào)。令人驚訝的是，當(dāng)小鼠等待它所期望的含糖獎(jiǎng)賞時(shí)，其他一些顆粒細(xì)胞被激活。而當(dāng)研究人員悄悄地拿走了預(yù)期的含糖獎(jiǎng)賞時(shí)，小腦又激活了另一批顆粒細(xì)胞。對(duì)幾天學(xué)習(xí)過(guò)程中相同的顆粒細(xì)胞進(jìn)行跟蹤觀(guān)察，發(fā)現(xiàn)具有獎(jiǎng)賞預(yù)期反應(yīng)的顆粒細(xì)胞從學(xué)習(xí)開(kāi)始時(shí)就對(duì)獎(jiǎng)賞做出反應(yīng)，對(duì)獎(jiǎng)賞缺失反應(yīng)隨著學(xué)習(xí)的進(jìn)行而變得越來(lái)越強(qiáng)。再一次證實(shí)，除了協(xié)調(diào)和控制身體運(yùn)動(dòng)，小腦也有助于控制大腦的獎(jiǎng)賞回路。

Kostadinov等（2019）在對(duì)攀緣纖維輸入浦肯野細(xì)胞在產(chǎn)生和評(píng)估有關(guān)運(yùn)動(dòng)動(dòng)作，以及感覺(jué)刺激與獎(jiǎng)賞之間的關(guān)聯(lián)的預(yù)測(cè)中的作用進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，攀緣纖維將獎(jiǎng)賞和期望信號(hào)投射到小腦微小區(qū)域，獎(jiǎng)賞信號(hào)激活了一些微區(qū)并抑制了其他微區(qū)，而獎(jiǎng)賞缺失則激活了獎(jiǎng)賞中受抑制的微區(qū)。Strick等（2009）認(rèn)為，小腦以某種方式參與觸發(fā)了受到獎(jiǎng)賞刺激的大腦區(qū)域釋放神經(jīng)遞質(zhì)多巴胺，多巴胺被釋放到中腦邊緣途徑中，從而引起愉悅和報(bào)酬感。在學(xué)習(xí)過(guò)程中，對(duì)可預(yù)測(cè)獎(jiǎng)賞的反應(yīng)會(huì)逐漸受到抑制。因此，小腦在獎(jiǎng)賞和社會(huì)偏好行為的創(chuàng)建和控制中可能具有主要作用（Kostadinov et al.，2019；Strick et al.，2009，Wagner et al.，2017）。這些研究結(jié)果證明，小腦以及小腦-大腦回路在控制獎(jiǎng)賞和社會(huì)偏好行為方面起著重要的作用，并且對(duì)成癮行為的治療和康復(fù)提供了新策略。

3.2 小腦與大腦連接研究新發(fā)展

3.2.1 攀緣纖維向小腦傳遞感覺(jué)信息的新發(fā)現(xiàn)

小腦皮層中的浦肯野細(xì)胞具有長(zhǎng)時(shí)程抑制，它可抑制引起錯(cuò)誤運(yùn)動(dòng)的突觸的活動(dòng)。單個(gè)浦肯野細(xì)胞上的興奮性突觸中實(shí)際上只有不到5%起作用（Bloedel et al.，1983；Ito et al.，1982b）。需要注意的是，在小腦所有類(lèi)型細(xì)胞中，只有浦肯野細(xì)胞發(fā)出軸突離開(kāi)小腦皮層，是小腦皮層中唯一的一種傳出神經(jīng)元。其余類(lèi)型的細(xì)胞僅在小腦皮層內(nèi)建立連接。進(jìn)入小腦的軸突有兩種：苔狀纖維和攀緣纖維，這兩種纖維在小腦皮層中具有不同的端接和作用。苔狀纖維末端突觸連接在顆粒細(xì)胞樹(shù)突上，激發(fā)顆粒細(xì)胞。攀緣纖維直接在浦肯野細(xì)胞上突觸并強(qiáng)烈激發(fā)它們（Bloedel et al.，1983；Ito et al.，1982b）。

在日常生活中，源源不斷的感覺(jué)信息不斷沖擊和挑戰(zhàn)著人腦。當(dāng)學(xué)習(xí)一種新的運(yùn)動(dòng)技能時(shí)，人腦會(huì)不斷跟蹤周?chē)母泄偬崾?。這些感官提示有助于指導(dǎo)運(yùn)動(dòng)技能學(xué)習(xí)，因此當(dāng)再次遇到相同的環(huán)境時(shí)，人們有可能以更好的方式進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。已經(jīng)證實(shí)，感覺(jué)信息有助于運(yùn)動(dòng)技能的學(xué)習(xí)。然而進(jìn)入小腦的輸入途徑是影響感覺(jué)信息編碼的重要因素（Albus，1971；Ito et al.，1982a；Marr，1969）。通過(guò)接收來(lái)自大腦各個(gè)區(qū)域的信息輸入，小腦整合并通過(guò)浦肯野細(xì)胞發(fā)送精確的信息。浦肯野細(xì)胞的一個(gè)重要輸入是攀緣纖維的遠(yuǎn)程投射（Ito，1984；Spampinato et al.，2017b）。

最近，Gaffield等（2019）進(jìn)行了一項(xiàng)研究來(lái)檢驗(yàn)攀緣纖維對(duì)感官信息編碼的影響。該研究認(rèn)為，攀緣纖維與小腦形成了長(zhǎng)距離連接，可以提供指導(dǎo)性的運(yùn)動(dòng)信號(hào)并傳遞感覺(jué)信息。研究對(duì)小鼠進(jìn)行聽(tīng)覺(jué)、視覺(jué)和本體感覺(jué)刺激的同時(shí)，使用雙光子鈣成像技術(shù)檢測(cè)小腦浦肯野細(xì)胞的活性。然后，分離并評(píng)估了浦肯野細(xì)胞活性的變化，這些變化直接對(duì)應(yīng)于每個(gè)刺激和攀緣纖維輸入的時(shí)間。研究發(fā)現(xiàn)，每當(dāng)出現(xiàn)一種感覺(jué)刺激時(shí)，浦肯野氏細(xì)胞的活性都會(huì)持續(xù)增強(qiáng)。但是，浦肯野細(xì)胞的這種活性增強(qiáng)作用在3種感覺(jué)類(lèi)型中并不完全相同，它隨著感覺(jué)類(lèi)型的變化而變化。接下來(lái)，研究人員又檢查了攀緣纖維以外的其他細(xì)胞是否直接促進(jìn)了浦肯野細(xì)胞的活性。使用光抑制神經(jīng)活動(dòng)和藥物抑制神經(jīng)活動(dòng)技術(shù)，抑制局部小腦回路中的其他細(xì)胞類(lèi)型，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，浦肯野細(xì)胞的活性增強(qiáng)現(xiàn)象沒(méi)有發(fā)生變化。但是，直接抑制攀緣纖維的活性后，這種增強(qiáng)作用被消除了。結(jié)果表明，只有攀緣纖維負(fù)責(zé)向小腦傳遞感覺(jué)信息。該研究進(jìn)一步開(kāi)創(chuàng)新技術(shù)監(jiān)測(cè)攀緣纖維軸突的活動(dòng)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)提供感覺(jué)刺激時(shí)，攀緣纖維的突觸前活動(dòng)的分級(jí)變化可在浦肯野細(xì)胞中準(zhǔn)確地表示出來(lái)。攀緣纖維的活動(dòng)越強(qiáng)，它所連接的浦肯野細(xì)胞的活性越強(qiáng)。傳統(tǒng)上認(rèn)為，到達(dá)小腦的感覺(jué)信號(hào)是由浦肯野細(xì)胞通過(guò)局部連接進(jìn)行整合和處理的（Albus，1971；Marr，1969）。研究表明，攀緣纖維參與感覺(jué)信息編碼，并通過(guò)浦肯野細(xì)胞把感覺(jué)信息傳遞給小腦。這意味著大腦的遠(yuǎn)端區(qū)域?qū)Ω杏X(jué)信息進(jìn)行處理，然后將其直接地傳遞到小腦進(jìn)行整合，促進(jìn)小腦調(diào)節(jié)身體運(yùn)動(dòng)和學(xué)習(xí)新運(yùn)動(dòng)行為（Zhang et al.，2019）。

3.2.2 小腦與額葉皮層連接對(duì)記憶功能的影響

眾所周知，腦的某些區(qū)域負(fù)責(zé)調(diào)控某些功能，例如小腦對(duì)控制運(yùn)動(dòng)很重要，而額葉皮層負(fù)責(zé)諸如短期記憶和決策等認(rèn)知功能。但是，隨著腦中數(shù)十億個(gè)神經(jīng)元相互作用謎團(tuán)的相繼揭開(kāi)，人們?cè)絹?lái)越清晰的認(rèn)識(shí)到，腦特定區(qū)域的功能并不是簡(jiǎn)單的區(qū)域劃分和功能界定的。已經(jīng)確認(rèn)，小腦與腦其他區(qū)域有廣泛的相互連接和回路（圖3）。其中，額葉皮層與小腦在解剖學(xué)上是相互連接的，并且臨床上發(fā)現(xiàn)小腦損傷引起記憶或計(jì)劃受損，也提示額葉皮層與小腦可能存在功能上的連接。

圖3 小腦與其他腦區(qū)域之間的回路與連接（Jensen，2005）Figure 3. Circuits and Connections Between Cerebellum and other Brain Regions

Gao等（2018）首次證實(shí)，小腦不僅能控制肌肉活動(dòng)，而且在認(rèn)知功能中發(fā)揮重要作用。研究人員對(duì)小鼠進(jìn)行訓(xùn)練，在特定位置向小鼠顯示了單個(gè)對(duì)象。一定時(shí)間延遲后，小鼠必須記住該物體的位置，并通過(guò)左右滑動(dòng)來(lái)指示其位置。小鼠在執(zhí)行正確的運(yùn)動(dòng)之前必須先使用短期記憶來(lái)回憶物體所在的位置。研究發(fā)現(xiàn)，在延遲期，額葉皮層的記憶活動(dòng)可預(yù)測(cè)小鼠未來(lái)的運(yùn)動(dòng)，延遲期的記憶活動(dòng)在額葉皮層和小腦均可觀(guān)察到。研究人員在延遲期使小鼠的小腦區(qū)域保持沉默，導(dǎo)致了錯(cuò)誤的反應(yīng)，但并未干擾身體運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，額葉皮層的記憶活動(dòng)遭到嚴(yán)重影響。然后，他們使額葉皮層區(qū)域保持沉默，從而停止了小腦的記憶活動(dòng)。研究人員發(fā)現(xiàn)小腦的輸出是針對(duì)額葉皮層，小腦的活動(dòng)與額葉皮層的記憶活動(dòng)緊密聯(lián)系。當(dāng)破壞這兩個(gè)區(qū)域之間的交流時(shí)，記憶活動(dòng)就會(huì)被破壞。該研究結(jié)果表明，單個(gè)行為的活動(dòng)是由腦多個(gè)區(qū)域協(xié)調(diào)的結(jié)果。小腦通過(guò)從錯(cuò)誤中學(xué)習(xí)來(lái)指導(dǎo)身體的運(yùn)動(dòng)，并參與運(yùn)動(dòng)記憶的形成。例如，當(dāng)我們學(xué)習(xí)籃球的投籃技能時(shí)，最初的準(zhǔn)確率較低，但是小腦可以根據(jù)視覺(jué)信息反饋來(lái)調(diào)整投籃動(dòng)作，最終提高投籃的準(zhǔn)確性。

3.2.3 圖雷特綜合癥與小腦連接有關(guān)的新線(xiàn)索

圖雷特綜合癥是一種神經(jīng)系統(tǒng)方面的障礙，常見(jiàn)的癥狀包括非自愿運(yùn)動(dòng)性抽動(dòng)，如拍手、眨眼、嗅探、發(fā)聲失控等（Worbe et al.，2015）。圖雷特綜合癥的早期癥狀通常首先在兒童時(shí)期出現(xiàn)，平均發(fā)病年齡為3～9歲。以前人們認(rèn)為，圖雷特綜合癥運(yùn)動(dòng)性抽動(dòng)是人腦單個(gè)功能區(qū)域-基底神經(jīng)節(jié)異常或障礙導(dǎo)致的。但是，最近對(duì)人、猴子和小鼠的研究表明，小腦、大腦皮層和丘腦也參與了這些抽動(dòng)的產(chǎn)生（Ito，2001）。 Caligiore等（2017）使用先進(jìn)的基于計(jì)算機(jī)的腦模擬技術(shù)，對(duì)圖雷特綜合癥運(yùn)動(dòng)性抽動(dòng)是否是由于大腦皮層和皮層下區(qū)域之間的相互作用引起的進(jìn)行了研究。計(jì)算機(jī)模擬發(fā)現(xiàn)，基底神經(jīng)節(jié)-小腦-丘腦-大腦皮層系統(tǒng)功能障礙會(huì)在大腦中產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)性抽動(dòng)（圖4）。圖雷特綜合癥抽動(dòng)新模型研究結(jié)果表明，基底神經(jīng)節(jié)中異常的多巴胺活性與丘腦-大腦皮層系統(tǒng)的活性可能共同觸發(fā)了初始抽動(dòng)。此外，基底神經(jīng)節(jié)與小腦之間的雙向相互作用可能使小腦影響抽動(dòng)的產(chǎn)生。研究人員認(rèn)為，該新模型代表了首次計(jì)算機(jī)模擬嘗試，旨在研究最近發(fā)現(xiàn)的基底神經(jīng)節(jié)與小腦結(jié)構(gòu)聯(lián)系的作用。研究人員還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)連接基底神經(jīng)節(jié)、丘腦、大腦皮層和小腦的神經(jīng)回路功能異常時(shí)，該新計(jì)算機(jī)模型可用于預(yù)測(cè)抽動(dòng)的次數(shù)。由此可見(jiàn)，越來(lái)越多的研究和臨床證據(jù)支持小腦-大腦的連接和相互作用。盡管目前還沒(méi)有藥物可以完全消除圖雷特綜合癥患者的癥狀，但認(rèn)知行為干預(yù)法，例如意識(shí)訓(xùn)練、競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)訓(xùn)練、生物反饋療法等，可用于減少抽動(dòng)和解決繼發(fā)性社交和情緒問(wèn)題。該研究發(fā)現(xiàn)為探索更加有效的圖雷特綜合癥治療和康復(fù)方法提供了新的思路。

3.2.4 小腦與大腦連接在自閉癥譜系中的作用

自閉癥譜系患者由于腦缺乏有效過(guò)濾和調(diào)節(jié)信息的功能，通常會(huì)經(jīng)歷一個(gè)完全未過(guò)濾的信息世界，不斷受到各種感覺(jué)刺激的沖擊。例如，燈光、聲音和氣味等都可能使患者感到難以忍受，甚至痛苦。自閉癥譜系患者還會(huì)在多種環(huán)境下表現(xiàn)出持續(xù)性的社會(huì)溝通和交往缺陷或障礙，并伴有某些重復(fù)性的行為、興趣或活動(dòng)。不論是在身體、心理和社會(huì)層面上，自閉癥譜系患者都表現(xiàn)出了異于常人的低功能發(fā)展水平。

圖4 導(dǎo)致圖雷特抽動(dòng)產(chǎn)生的關(guān)鍵腦區(qū)：基底神經(jīng)節(jié)-小腦-丘腦-大腦皮層系統(tǒng)（Caligiore et al.，2017）Figure 4. Key Brain Regions that Cause Tourette’s Twitch：Basal ganglia-Cerebellum-Thalamus-Cortex

越來(lái)越多的研究表明，自閉癥譜系癥狀可能歸因于功能連接的變化，或大腦內(nèi)部區(qū)域信息傳遞出現(xiàn)異常（Becker et al.，2013；Nayate et al.，2005）。 Khan 等（2015）對(duì)自閉癥譜系患者的大腦與小腦之間的連接進(jìn)行了研究。使用靜息態(tài)功能磁共振成像（rs-fMRI）技術(shù)研究小腦和大腦7個(gè)不同區(qū)域之間的連接，其中4個(gè)大腦區(qū)域位于感覺(jué)運(yùn)動(dòng)區(qū)域，其他3個(gè)是超模態(tài)區(qū)域，即負(fù)責(zé)復(fù)雜、抽象心理過(guò)程的區(qū)域，例如語(yǔ)言、解釋社交情景和社會(huì)互動(dòng)。他們對(duì)大腦與小腦之間的交叉連接研究發(fā)現(xiàn)，自閉癥患者大腦中每個(gè)感覺(jué)運(yùn)動(dòng)區(qū)域與小腦的連接都比正常人感覺(jué)運(yùn)動(dòng)區(qū)域與小腦的連接更多。相反，自閉癥譜系患者每個(gè)超模態(tài)區(qū)域與小腦的連接都比正常人較少。研究結(jié)果表明，大腦與小腦之間的連接異常可能是導(dǎo)致自閉癥譜系患者身體、心理和社交異常的主要原因，并且自閉癥譜系患者大腦與小腦之間的連接異常不是隨機(jī)的。針對(duì)交叉連接的測(cè)量與觀(guān)察也發(fā)現(xiàn)，正常人和自閉癥譜系患者的大腦具有相同數(shù)量的被認(rèn)為是“規(guī)范”的連接，即大腦與小腦負(fù)責(zé)相同任務(wù)（感覺(jué)運(yùn)動(dòng)或超模態(tài)）的連接區(qū)域。然而，自閉癥譜系患者的大腦超模態(tài)區(qū)域與小腦之間的連接較弱，而大腦感覺(jué)運(yùn)動(dòng)區(qū)域與小腦的連接較強(qiáng)。這意味著自閉癥譜系患者在兩種不同類(lèi)型的區(qū)域之間具有更多的“非規(guī)范”聯(lián)系。

該研究檢測(cè)整個(gè)小腦與大腦左、右側(cè)所有區(qū)域之間的整體連接性，獲得了不同的結(jié)果。在感覺(jué)運(yùn)動(dòng)區(qū)域和超模態(tài)區(qū)域，自閉癥譜系患者的大腦與小腦之間的整體連接更多。這意味著自閉癥譜系患者的同側(cè)大腦與小腦之間的聯(lián)系要多于正常人。但是，研究確實(shí)發(fā)現(xiàn)，左側(cè)大腦超模態(tài)區(qū)域與小腦之間具有更多連接的個(gè)體，對(duì)社會(huì)的反應(yīng)更加強(qiáng)烈。這個(gè)結(jié)果并不令人感到意外，因?yàn)檠芯咳藛T發(fā)現(xiàn)，超模態(tài)區(qū)域有助于復(fù)雜而抽象的思維過(guò)程，例如解釋社會(huì)狀況。左側(cè)大腦感覺(jué)運(yùn)動(dòng)區(qū)域與小腦連接更多的個(gè)體，對(duì)社會(huì)反應(yīng)的得分較低。右側(cè)大腦感覺(jué)運(yùn)動(dòng)區(qū)域與小腦連接更多與較低的非語(yǔ)言智商有關(guān)。研究結(jié)果還顯示，大腦與小腦的連接與溝通技能水平之間的相關(guān)性較低。這項(xiàng)研究表明，大腦與小腦之間的連接確實(shí)在自閉癥譜系中起著一定的作用，提供了自閉癥譜系患者行為癥狀與大腦-小腦連接差異有關(guān)的證據(jù)。小腦連接差異的特異性表明它在自閉癥發(fā)展中的獨(dú)特作用，值得進(jìn)一步的研究。由于此研究使用的fMRI技術(shù)要求參與者在有限的空間下進(jìn)行合作，所以很難檢測(cè)到自閉癥嚴(yán)重程度與大腦連接之間的總體相關(guān)性。有研究提出，小腦損傷或功能障礙會(huì)干擾大腦其他部位的發(fā)育進(jìn)程，影響對(duì)外部刺激進(jìn)行處理與分析的能力（Wang et al.，2014）。根據(jù)該理論，在生長(zhǎng)關(guān)鍵時(shí)期，小腦功能障礙可能會(huì)破壞新皮層回路的成熟，導(dǎo)致包括自閉癥譜系在內(nèi)的認(rèn)知和行為癥狀。眾所周知，小腦是信息處理器。大腦皮層負(fù)責(zé)更高程度的信息處理，但不會(huì)接收未經(jīng)過(guò)濾的信息。從大腦檢測(cè)到外部信息再傳遞到大腦皮層之間，必須采取一些關(guān)鍵的過(guò)濾步驟。小腦就起著這種關(guān)鍵的信息過(guò)濾與處理的作用（Danny et al.，2017）。

4 對(duì)運(yùn)動(dòng)技能學(xué)習(xí)和表現(xiàn)的啟示

將大腦中的運(yùn)動(dòng)“思維”和小腦中的運(yùn)動(dòng)“操控”結(jié)合起來(lái)，通過(guò)采用基于這種“上下”模型的雙管齊下的方法，每個(gè)人都可以通過(guò)針對(duì)大腦和小腦的常規(guī)訓(xùn)練來(lái)創(chuàng)造更好的運(yùn)動(dòng)思維和身體天賦，從而優(yōu)化自己的行為或運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)?？紤]到大腦與小腦之間的關(guān)系，大腦可認(rèn)為是“人腦上部”，小腦是“人腦下部”，以便對(duì)應(yīng)“左腦-右腦”區(qū)域與功能的劃分，從而有助于重塑大腦與小腦的關(guān)系。任何一項(xiàng)運(yùn)動(dòng)中的成功表現(xiàn)最終都取決于小腦，協(xié)調(diào)、反射、快速的反應(yīng)時(shí)間以及運(yùn)動(dòng)技能學(xué)習(xí)都依賴(lài)于小腦結(jié)構(gòu)。它從脊髓和感覺(jué)系統(tǒng)接收信息，并使用此信息來(lái)調(diào)節(jié)和執(zhí)行身體運(yùn)動(dòng)。小腦可以幫助職業(yè)羽毛球運(yùn)動(dòng)員以高的精準(zhǔn)度擊球，并在短短的停頓時(shí)間內(nèi)改變運(yùn)動(dòng)程序。

運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)效果具有一定的遷移性，但遷移的效果因運(yùn)動(dòng)任務(wù)、技能等的類(lèi)型而不同（Schmidt et al.，2011）。運(yùn)動(dòng)和認(rèn)知技能的獲得通常取決于練習(xí)和使用的時(shí)間，以及努力提高的意志，尤其兒童更是如此（Carson et al.，2015）。腦不同的區(qū)域功能需要不斷地接受挑戰(zhàn)才能提高，而不是簡(jiǎn)單的使用。也就是說(shuō)，這個(gè)提高的過(guò)程需要大量的練習(xí)，需要有超過(guò)現(xiàn)有水平的心態(tài)和意志以及不懈的努力（Ericsson et al.，2009）。當(dāng)學(xué)習(xí)新動(dòng)作和技能時(shí)，需要大腦和小腦的共同參與。不斷學(xué)習(xí)新的東西，可以增強(qiáng)大腦與小腦的連接，促進(jìn)腦功能的發(fā)展與提高（Danny et al.，2017）。當(dāng)接受或?qū)W習(xí)新的事物時(shí)，能夠最大程度啟用大腦的人，就會(huì)有最佳的表現(xiàn)（Duncan et al.，2000；Poldrack et al.，2005）。然而當(dāng)人們熟練掌握相關(guān)知識(shí)和擅長(zhǎng)這種技能后，表現(xiàn)最佳者往往是那些啟用腦前回最少的人。因?yàn)榇藭r(shí)任務(wù)的完成將下放給比腦前回進(jìn)化更長(zhǎng)時(shí)間，而且功能完善的腦下回區(qū)域包括小腦。這些區(qū)域在支配熟練技能完成方面比腦前回效率更高，負(fù)責(zé)自動(dòng)化的行為。只有通過(guò)重復(fù)的行為（練習(xí)）才能使這些行為變成自動(dòng)化行為，而不經(jīng)過(guò)腦前回的控制。這是小腦的作用在學(xué)習(xí)過(guò)程中逐步提升，腦不同區(qū)域功能連接效果不斷優(yōu)化的結(jié)果（Basser et al.，2000；Chein et al.，2005；Garavan et al.，2000；Temple et al.，2003）。

以身體活動(dòng)為基礎(chǔ)的運(yùn)動(dòng)技能學(xué)習(xí)專(zhuān)注于前庭系統(tǒng)、小腦和大腦其余部分之間的相互作用，旨在通過(guò)利用人腦的自然生長(zhǎng)，發(fā)展有效的運(yùn)動(dòng)和認(rèn)知能力來(lái)改善人腦不同區(qū)域之間的神經(jīng)元傳遞，從而避免或減少神經(jīng)疾病與小腦之間的聯(lián)系。在設(shè)計(jì)練習(xí)內(nèi)容和訓(xùn)練環(huán)境時(shí)需要考慮動(dòng)作與認(rèn)知的有機(jī)搭配，并通過(guò)科學(xué)的手段和先進(jìn)的器材來(lái)促進(jìn)小腦不斷調(diào)節(jié)身體運(yùn)動(dòng)的速率、節(jié)奏、力量和準(zhǔn)確性。同時(shí)還應(yīng)根據(jù)年齡和運(yùn)動(dòng)能力的實(shí)際情況，適宜地增加粗大與精細(xì)運(yùn)動(dòng)技能相結(jié)合以及小腦參與調(diào)節(jié)認(rèn)知過(guò)程的速度和連貫性的練習(xí)內(nèi)容部分。另外，在運(yùn)動(dòng)技能學(xué)習(xí)過(guò)程中，除了不斷學(xué)習(xí)新的動(dòng)作元素（基本和功能動(dòng)作與動(dòng)作模式），還要學(xué)習(xí)不同的動(dòng)作技術(shù)與完成的方法，并且通過(guò)改變學(xué)習(xí)任務(wù)、學(xué)習(xí)環(huán)境以及學(xué)習(xí)者本身的限制條件來(lái)提升運(yùn)動(dòng)技能學(xué)習(xí)的效率（Newell，1986）。運(yùn)動(dòng)技能的學(xué)習(xí)是基于運(yùn)動(dòng)技能的元素（動(dòng)作）、運(yùn)動(dòng)技能的完成方法（技術(shù)）和運(yùn)動(dòng)技能完成的支撐（能力）3者之間的有機(jī)搭配和協(xié)同發(fā)展（Liu，2018）。學(xué)習(xí)任務(wù)的多樣性和練習(xí)條件的多變性可增強(qiáng)小腦的運(yùn)動(dòng)記憶、動(dòng)作協(xié)調(diào)和運(yùn)動(dòng)管控的功能，加強(qiáng)小腦與大腦不同區(qū)域之間的連接和信息交流，從而提升運(yùn)動(dòng)技能的學(xué)習(xí)效果和表現(xiàn)。根據(jù)小腦參與身體同側(cè)的感知、運(yùn)動(dòng)控制和學(xué)習(xí)效果遷移的特殊功能，在運(yùn)動(dòng)技術(shù)和技能學(xué)習(xí)過(guò)程中，應(yīng)考慮增加身體同側(cè)運(yùn)動(dòng)的部分——手與腳、手臂與腿，例如橫行移動(dòng)、跨步、同側(cè)弓箭步（羽毛球跨步接球）。還應(yīng)考慮增加同側(cè)上下肢體協(xié)調(diào)練習(xí)和不同身體部位之間的協(xié)調(diào)練習(xí)，例如，用右手拍擊右腳內(nèi)側(cè)或外側(cè)，用上肢的一部位觸碰軀干或下肢的某一部位。這些身體動(dòng)作協(xié)調(diào)練習(xí)，尤其在學(xué)齡前和學(xué)齡期兒童的運(yùn)動(dòng)技能學(xué)習(xí)和發(fā)展中更為需要。

由于小腦發(fā)育和發(fā)展需要較長(zhǎng)的時(shí)期，并且參與多種感知信息的過(guò)濾與分析，特別是參與對(duì)視覺(jué)-運(yùn)動(dòng)信息的處理。嬰幼兒需要進(jìn)行適量的平衡、協(xié)調(diào)、各種視覺(jué)-運(yùn)動(dòng)的結(jié)合練習(xí)，例如觸摸和觀(guān)察各種顏色、形狀、空間、距離、方向的物體，適度地進(jìn)行眼-手配合（單、雙手）、眼-腳配合（單、雙腳）練習(xí)等。還應(yīng)為嬰幼兒提供完成多種基本動(dòng)作模式的機(jī)會(huì)，例如翻身、爬行、跪立、起身、推、拉、側(cè)彎、轉(zhuǎn)動(dòng)等（劉展，2016）。學(xué)齡前和學(xué)齡初期的兒童還要學(xué)習(xí)身體移動(dòng)、身體控制和物體操控3種基本動(dòng)作技能，增強(qiáng)多種感知與身體運(yùn)動(dòng)的有機(jī)結(jié)合，增強(qiáng)小腦對(duì)運(yùn)動(dòng)記憶、感知信息處理、身體動(dòng)作協(xié)調(diào)等的功能參與，提升視覺(jué)運(yùn)動(dòng)與小腦連接效果，并加強(qiáng)小腦與大腦其他區(qū)域的連接和信息流通性。此外，還需要充分利用小腦在多種感知信息整合與處理、信息反饋的功能，安排與實(shí)施基于閉環(huán)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的各種本體感覺(jué)和運(yùn)動(dòng)覺(jué)意識(shí)、身體平衡、關(guān)節(jié)穩(wěn)定和反應(yīng)性肌肉收縮的專(zhuān)門(mén)練習(xí)內(nèi)容與方法，提高肌肉激活水平、剛韌性和反應(yīng)性收縮的能力，增強(qiáng)關(guān)節(jié)在不同受力下的穩(wěn)定性，建立神經(jīng)對(duì)肌肉有效控制的功能。有組織的運(yùn)動(dòng)技能的練習(xí)還應(yīng)逐步增加基于開(kāi)環(huán)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的練習(xí)內(nèi)容與方法。由于小腦參與預(yù)備性動(dòng)作和適應(yīng)性學(xué)習(xí)，應(yīng)增加動(dòng)作預(yù)先計(jì)劃和預(yù)備性動(dòng)作練習(xí)，并通過(guò)不斷變化環(huán)境和動(dòng)作程序來(lái)增強(qiáng)小腦對(duì)身體運(yùn)動(dòng)的協(xié)調(diào)與控制，提升動(dòng)作的流暢、平穩(wěn)和準(zhǔn)確性。逐步從閉環(huán)運(yùn)動(dòng)控制為主的身體練習(xí)（重復(fù)性動(dòng)作、穩(wěn)定性環(huán)境的肌肉力量、關(guān)節(jié)幅度以及身體平衡）轉(zhuǎn)換為以開(kāi)環(huán)運(yùn)動(dòng)控制為主的身體練習(xí)（多變的動(dòng)作、速度、力量、方向以及不可預(yù)測(cè)的運(yùn)動(dòng)環(huán)境等）。這些對(duì)功能動(dòng)作和動(dòng)作模式的獲得與發(fā)展，基本動(dòng)作技能和專(zhuān)項(xiàng)運(yùn)動(dòng)技能的學(xué)習(xí)與掌握都非常重要。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜述小腦功能研究最新發(fā)現(xiàn)與進(jìn)展，小腦像調(diào)控肌肉運(yùn)動(dòng)一樣調(diào)控非運(yùn)動(dòng)功能。小腦負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)身體運(yùn)動(dòng)和參與許多認(rèn)知活動(dòng)過(guò)程?？梢酝ㄟ^(guò)優(yōu)化腦區(qū)域之間的連接來(lái)實(shí)現(xiàn)腦功能和人類(lèi)潛能的最大化。從歷史上看，小腦被認(rèn)為與運(yùn)動(dòng)控制有關(guān)。但是，過(guò)去30年的研究清楚地表明，小腦還致力于許多認(rèn)知、語(yǔ)言和社交功能，例如工作記憶、認(rèn)知控制、動(dòng)作觀(guān)察、獎(jiǎng)賞期望等。從簡(jiǎn)單的哺乳動(dòng)物進(jìn)化到人類(lèi)的過(guò)程中，小腦沒(méi)有像其他大腦結(jié)構(gòu)那樣擴(kuò)大，這暗示著小腦在人類(lèi)智力發(fā)展中的特殊作用（Diedrichsen et al.，2019）。先進(jìn)的成像技術(shù)使研究人員能夠通過(guò)小腦神經(jīng)元的活動(dòng)、微回路和與大腦不同區(qū)域的連接來(lái)收集和分析小腦的數(shù)據(jù)，并以可視化的方法探索和發(fā)現(xiàn)小腦的結(jié)構(gòu)與功能。最近，King等（2019）進(jìn)行了一項(xiàng)大規(guī)模研究，通過(guò)創(chuàng)建一個(gè)多領(lǐng)域任務(wù)測(cè)試庫(kù)，其中包含26個(gè)任務(wù)，涵蓋人類(lèi)心理活動(dòng)的大多數(shù)方面，包括語(yǔ)言、記憶、數(shù)學(xué)、抽象思維、心理意象和運(yùn)動(dòng)控制，開(kāi)發(fā)了一個(gè)全面的人類(lèi)小腦新功能圖。該圖以前所未有的細(xì)節(jié)表征了每個(gè)小腦區(qū)域的功能。這個(gè)新功能圖可用于預(yù)測(cè)新任務(wù)和新參與者的小腦功能邊界，還可以用于研究小腦功能障礙與神經(jīng)發(fā)展性疾病和精神障礙的關(guān)系。小腦已成為21世紀(jì)認(rèn)知和運(yùn)動(dòng)神經(jīng)科學(xué)、發(fā)育神經(jīng)生物學(xué)以及精神病學(xué)研究的熱門(mén)領(lǐng)域，充分了解小腦在身體運(yùn)動(dòng)、認(rèn)知、語(yǔ)言、社交、情緒調(diào)節(jié)和精神疾病中的潛在作用，具有深遠(yuǎn)的意義，也是優(yōu)化一個(gè)人身體、心智和社交情感功能的關(guān)鍵。