小脑在认知、情感等方面的作用
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“小脑”曾经被认为仅仅是一个运动协调中心，现在被认为参与了更高的神经过程。
在第一次世界大战期间，作为英国军队的医生，神经学家戈登·霍姆斯(Gordon Holmes)接手过许多头部中枪的士兵。在照顾这些士兵时，霍姆斯发现大脑底部一个叫做小脑(cerebellum)【在拉丁语中是“little brain”的意思】的小结构受损，主要导致了协调动作的问题。霍姆斯在1917年发表在《Brain》杂志上的一篇开创性论文中描述了这些案例，他把小脑称为“运动增强器官”。他解释说，小脑不是直接产生动作，而是“设置”或“调整”动作，以确保它们“立即、有效，并且与大脑冲动的强度成正比”。换句话说，小脑帮助协调来自大脑皮层的运动指令。大脑皮层是棒球手套形状的结构，构成了人类大脑的大部分，是大脑的主要指挥者。
霍姆斯的报告证实了其他科学家近一个世纪前的记录。在19世纪早期，法国生理学家Marie-Jean-Pierre Flourens将鸽子身上的小脑取出，然后观察到这些动物像喝醉了一样跌跌撞撞。和霍姆斯一样，他也注意到小脑是大脑中协调运动的中心。英国伦敦大学学院的神经科学家迈克尔·豪瑟(Michael Hausser)说:“在过去的100年里，关于小脑的作用，这是一种教科书式的观点。”但现在，他补充说，“我们需要重写教科书。”
大约从20世纪80年代开始，科学家们开始怀疑小脑的作用是否不止与运动有关。从少数几个小脑损伤患者表现出非运动缺陷的病例开始，比如难以利用线索来计划他们的行动，这个曾经激进的假设在过去几十年里从对人类患者和动物的研究中获得了充分的支持。越来越多的证据表明小脑在认知、情感处理和社会行为等广泛的功能中起着重要作用。这项工作还指出了小脑在一系列神经精神障碍(如自闭症和精神分裂症)中的潜在重要性。近年来，科学家们不仅继续发现小脑的新作用，而且已经开始绘制调节大脑区域非运动作用的回路。
Hausser说：“小脑只参与运动行为的观点是不正确的。小脑在驱动行为方面发挥着更丰富、更有趣的作用。”
超越运动
亨丽埃塔·莱纳(Henrietta Leiner)是一位在上世纪80年代从事神经科学研究的神经科学家，她最初接受的是数学、物理学和计算机科学的训练。她认为，与其他动物相比，人类小脑的尺寸更大，这让她质疑小脑的作用是否仅限于运动功能。人类小脑的表面积，包括紧密缠绕的褶皱，是大脑皮层的80%。1986年，在这一事实被证实之前，莱纳和她的同事发表了一篇论文，提出小脑最近进化的部分有助于更高层次的心理功能，因此除了“小脑”已经众所周知的“运动敏捷”之外，还能实现“心理敏捷”。
事实上，早在19世纪，小脑损伤可能导致非运动后果的迹象就已经出现了。20世纪80年代，波士顿市立医院的神经内科住院医师杰里米·施马曼(Jeremy Schmahmann)挖掘出了近200年前的临床报告，这些报告描述了小脑受损或缺失的个体潜在的智力、社交和情感功能障碍。出于好奇，Schmahmann决定通过自己的研究来深入挖掘。
在成为神经学家后，Schmahmann对小脑因肿瘤生长、中风或其他事故而受损的个体进行了一系列观察。1998年，他和同事珍妮特·谢尔曼(Janet Sherman)首次发表了对所谓小脑认知情感综合征的描述，这是一系列认知和行为障碍，如抽象推理和情绪控制方面的问题。Hausser说，这种现在被一些人称为Schmahmann综合征的疾病，帮助人们认识到小脑在协调运动之外的作用。
关于小脑广泛功能的其他早期线索来自于大脑区域对神经精神疾病的研究，特别是精神分裂症和自闭症的研究。对于这两种情况，几十年前的研究已经记录了小脑解剖异常的证据。这些临床观察结果与Schmahmann等人在20世纪90年代的工作相吻合，当时他们在猴子的大脑中发现了连接小脑和大脑皮层中涉及记忆、注意力和其他高级功能的部分的解剖学连接。多年后的2009年，神经科学家在人类身上使用功能性磁共振成像发现，小脑在涉及语言、记忆和情绪处理的任务中被激活。这项工作还表明，在小脑的大部分区域，神经活动与负责这些非运动功能的大脑皮层区域同步。
总之，这些发现表明，小脑可能参与多种功能，而连接小脑和大脑皮层的通路，为这种功能提供了神经基础。心理学教授Catherine Stoodley说，我们仍然缺少小脑的作用机制，即我们如何以及何时需要小脑进行认知等高级过程的细节。“有很多来自实验方面的兴趣，研究人员说，‘好吧，我们现在接受小脑参与认知的想法，但它在做什么?’”
这张小鼠小脑的显微照片显示了大脑结构的浦肯野细胞(绿色)如何有序地排列在网格状模式中，这与大脑其他部分的神经结构截然不同。THOMAS DEERINCK, NATIONAL CENTER FOR MICROSCOPY AND IMAGING RESEARCH, UC SAN DIEGO
映射回路
荷兰神经科学研究所的Chris De Zeeuw和他的同事在追踪小脑神经元的活动时，发现小脑在小鼠做决定的过程中起着至关重要的作用——至少在涉及非常基本的行为时是这样。研究人员训练这些啮齿动物，让它们知道一个小金属针的位置表明它们需要舔两个喷嘴中的哪一个，才能得到含糖的食物。通过记录动物执行这项任务时的神经元活动，研究小组发现小脑内的神经元在任务开始和舔舐动作之间是活跃的——这段时间是计划发生的时候。
研究人员追踪了小脑和大脑皮层之间负责执行这种行为的回路。当他们用光遗传学方法中断这种神经元活动时，他们发现小鼠犯了更多的错误。De Zeeuw说，自2018年发表这些发现以来，该小组用非人类灵长类动物进行了类似的实验。“在那里，我们也得到了小脑可能有助于某些认知过程的印象。”
与此同时，一些研究表明，小脑可能在处理奖励相关信号方面发挥着特殊的作用。Hausser和同事在2019年报告称，当给小鼠一个简单的任务，即将一个虚拟物体移动到屏幕上的目标以获得食物奖励时，小脑细胞显示出最大的信号，不是在动物进行运动时显示出最大信号，而是在它收到食物时。大约在同一时间，其他几个实验室报告了类似的奖励相关信号，照亮了动物执行不同类型行为任务的小脑。Hausser说:“这种惊人的几乎同时出现的发现，真的让这个领域发生了翻天覆地的变化。这表明小脑一直在获取奖励信息。”
科罗拉多大学的神经科学家阿比盖尔·珀森(Abigail Person)说：这项关于小脑奖励相关活动的研究“非常令人兴奋”。虽然她指出，运动和非运动活动之间的界限并不明确——尤其是在啮齿动物中——刺激和行动之间的延迟“使我们远离实时控制的运动，进入更长期的运动计划。”
2019年，神经科学家Kamran Khodakhah和他的团队执行了另一项关于小脑在奖励相关过程中作用的研究。在他们的研究中，研究人员发现了小脑和自闭症之间可能存在联系的证据。他们发现了一条直接连接小鼠小脑和中脑腹侧被盖区((Ventral tegmental area;简写为VTA，是两条主要的多巴胺神经通道(neural pathway)的一部分。该区域是中脑的奖励处理中心)的通路，同时研究人员发现停用这种途径会使小鼠与其他动物社交的可能性较小。这支持了几年前的发现，当时德克萨斯大学西南医学中心的神经学家Peter Tsai和他的同事们通过破坏浦肯野细胞(Purkinje cells：一种小脑中的主要细胞类型)中的一个关键基因，制造了一个自闭症小鼠模型。具有这种改变的动物表现出一些与自闭症患者相似的特征，比如对与新动物的社交互动缺乏兴趣，思维不灵活，行为重复。在后续研究中，Tsai, Stoodley和同事们证明了自闭症小鼠模型中的社交缺陷可以通过化学刺激小脑来改善。
这些与自闭症的联系凸显了小脑的另一个独特特征：其在发育过程中的敏感性。Stoodley说，大脑皮层似乎能够很好地适应病变，尤其是那些在发育早期发生的病变，而与大脑皮层不同的是，临床文献暗示小脑可能没有那么强的适应能力。此外，早期的小脑紊乱也与自闭症有关。例如，研究人员报告说，出生时小脑受损会大大增加儿童患这种疾病的几率。2018年，普林斯顿大学神经科学家Sam Wang及其同事报告称，在年轻小鼠出生后几周内操纵小脑后侧的神经回路会导致类似自闭症的特征，但在成年后接受手术的小鼠中没有看到同样的影响。
“从发育的角度来看，小脑是大脑中一个特别有趣的部分，”Stoodley说。
小脑的许多作用
小脑是隐藏在大脑皮层下的拳头大小的结构，我们通常将大脑的这一部分归因于更高阶的认知过程，包括意识、语言和记忆。尽管小脑传统上被认为是一个专门负责运动协调的中心，但越来越多的研究表明，小脑结构也参与认知、情感和其他功能。
尽管小脑从外面看起来很小，但其结构的许多类似珊瑚状分支使其表面积达到较大大脑皮层表面积的80%。
图示显示小脑如何被划分为与运动、认知和情感相关功能相关的特定区域。
功能性核磁共振研究表明，小脑可以被划分为与运动、认知和情感相关的特定区域。
小脑众多功能背后的机制仍然是一个谜，但该结构中神经元的有序排列表明，它可能执行单一或一组计算，并应用于它的许多角色。
预测机
用高倍显微镜观察小脑切片，可以发现大而密集的浦肯野细胞排列成有序的网格状。这种独特的结构比大脑的其他部分更简单、更统一，故而，一些研究人员提出，小脑执行单一计算——Schmahmann称之为通用小脑转换——通常适用于它的许多功能，包括运动和非运动功能。斯坦福大学的神经科学家詹妮弗·雷蒙德(Jennifer Raymond)是赞同这一观点的众多研究人员之一。她说，考虑到架构的模式化程度，一定有一些特定的计算或一组计算适合这种解剖结构。
这种计算或一组计算的性质仍然是一个悬而未决的问题。关于小脑的首要工作是什么，一个主要的假设是：小脑充当一个预测机器。Hausser说:“最简单的一点是，它能预测运动指令的感官结果。”他补充说，这种预测也可以应用于更复杂的过程，包括预测你在社交互动中的行为后果。Stoodley推测，这可能就是奖励处理的作用所在——小脑可能利用这些信息来做出和更新预测。她补充说，可能正是通过这个过程，小脑会以灵活而准确的方式进行运动和认知或其他非运动功能。
不过，关于整个小脑是否真的只有一次计算仍然存在争议。Stoodley怀疑，在运动和非运动的角色中，计算是相似的，但这些计算发生的时间尺度不同。
研究人员表示，除了更好地理解大脑的工作原理外，解开小脑之谜也可能对患者有益。一些实验室已经在进行早期临床试验，以判断使用诸如经颅磁刺激(TMS)无创刺激小脑是否有助于解决精神分裂症或自闭症等疾病的症状。因为小脑中的回路结构相对简单，它提供了“能够通过非常特定的回路操作来尝试解决神经或精神疾病的最佳机会。”
在精神分裂症的案例中，研究人员已经证明，用经颅磁刺激刺激特定的小脑回路可以缓解这种疾病的“负面”症状，比如在一小部分缺乏动力或无法感受到快乐的患者样本中。这些发现目前正在进行更大规模的临床试验。精神病学家罗斯科·布雷迪(Roscoe Brady)参与了这项研究，他和他的同事现在有证据表明，刺激另一个独特的小脑回路也可以减少幻觉。此外，布雷迪补充说，研究小组还确定了与认知缺陷特别相关的第三个回路。“我们未来的计划是尝试确定该回路是否也可以被经颅磁刺激调制。”
Stoodley说，有了这些进步，小脑正在引起广泛科学家的兴趣。“我认为这很令人兴奋。小脑世界之外的人开始对小脑更感兴趣了。”现在越来越多的结构秘密正被揭示出来。例如，去年年底，科学家发现小脑有助于食欲控制。研究人员表示，“似乎我们研究的地方越多，发现的功能就越多。”
参考链接：[1]https://www.the-scientist.com/features/the-multitasking-cerebellum-roles-in-cognition-emotion-and-more-70349About the authorDiana Kwon is a freelance science journalist based in Berlin, Germany.
来源：公众号：丘脑大叔