大脑“沙漏计时器”控制运动的精确时间
2025年11月19日
摘要： 研究人员已发现大脑如何为精确运动保持时间，揭示了运动皮层和纹状体之间的神经“沙漏”机制。运动皮层发送计时信号，这些信号在纹状体中累积，直至达到触发动作的阈值。
暂时干扰任一区域会暂停或重置此内部计时器，直接改变运动时间。这些发现为大脑如何协调动作提供了重要见解，并可能为帕金森病和亨廷顿病等运动障碍的疗法提供信息。
关键事实
- 神经沙漏： 计时信号从运动皮层流向纹状体，像沙漏中的沙子一样累积。
- 暂停与重置： 抑制运动皮层会暂停计时器，而抑制纹状体会完全重置它。
- 治疗潜力： 理解此计时系统可能有助于制定恢复运动障碍中运动控制的策略。
来源： 马克斯·普朗克研究所
无论是说话还是挥动球棒，精确且适应性强的运动时间对日常行为都至关重要。
尽管我们没有像眼睛或鼻子那样的感官器官来感知时间，但我们能够计时并控制我们行动的时间。这种计时准确性依赖于大脑中的计时器，但大脑如何实现此计时器之前未知。
在本周发表在《自然》杂志上的研究中，马克斯·普朗克研究所的科学家杨子丹、稻垣秀彦及其同事揭示了这一计时器如何通过两个大脑区域——运动皮层和纹状体的相互作用工作。
这些区域一起追踪时间的流逝，就像一个沙漏。
发现大脑的沙漏
先前关于大脑如何计时运动的研究强调了运动皮层和纹状体作为关键大脑区域。这些区域显示出与计时功能一致的神经活动模式，并在帕金森病和亨廷顿病等疾病中受损时导致运动计时缺陷。
研究首席科学家杨子丹博士解释说：“我们理解大脑中有一个可调节的计时器，但不清楚大脑如何实现此计时器以及每个大脑区域的具体作用。我们想要精确理解大脑如何计时，因为它是我们日常活动的关键功能。”
为实现这一目标，科学家训练小鼠在特定时间后舔食喷口以获得食物，例如1秒后。在此任务期间，研究人员记录了运动皮层和纹状体中数千个神经元的活动，以测量其与计时相关的模式。
为了理解大脑计时器如何工作，科学家将这些测量与一种称为光遗传学的技术相结合，该技术允许他们用闪光暂时抑制一个大脑区域的活动，并测量另一个区域中计时相关模式的相应变化。
“通过将神经记录与特定大脑区域活动的短暂变化相结合，我们能够识别每个区域在大脑内部计时器中的作用。我们意识到这些大脑区域共同追踪时间，但扮演独特角色——类似于沙漏的顶部和底部，”杨子丹博士描述道。
暂停和倒回计时器
研究人员发现，运动皮层就像沙漏的顶部，向纹状体发送神经信号流。在纹状体中，这些信号随着时间的推移而累积，就像沙漏底部的沙子。一旦信号达到一定水平，就会触发运动。
当研究人员暂时抑制运动皮层时，它暂停了这些信号的流动，就像捏住沙漏的颈部以阻止沙子流动。这暂停了纹状体中活动的积累，并延迟了小鼠舔食食物的时间，仿佛时间本身已被暂停。
另一方面，当研究人员抑制纹状体时，它重置了计时信号，就像沙漏被翻转以重新启动计时器。这进一步延迟了小鼠的舔食，仿佛时间已被倒回。
更广泛的影响
该团队的发现标志着在理解这些区域的神经活动如何相互作用以协调动作时间方面取得了重大进展。马克斯·普朗克佛罗里达研究所研究小组负责人、该研究的高级作者稻垣秀彦博士描述了他的最终目标：
“运动皮层和纹状体是控制我们运动的两个关键大脑区域，在许多运动障碍中受损。我们正在努力了解这些关键大脑区域的活动模式如何导致行为的精确控制，例如流畅的运动。我们希望这种理解能够被用来恢复面临运动障碍挑战的人们的运动功能。”
关键问题解答：
Q: 大脑如何计时以控制精确运动？
A: 通过运动皮层和纹状体之间协调活动，像沙漏一样累积信号。
Q: 当其中一个大脑区域的活动受到干扰时会发生什么？
A: 抑制运动皮层会暂停计时器，而抑制纹状体会完全重置它。
Q: 为什么这一发现对人类健康重要？
A: 因为这些区域在运动障碍中受损，理解此计时器可以指导新治疗。
编辑说明：
- 本文由神经科学新闻编辑编辑。
- 审查了全文期刊论文。
- 我们的工作人员添加了额外背景。
关于此运动和神经科学研究新闻
作者： 莱斯利·科尔根
来源： 马克斯·普朗克研究所
联系： 莱斯利·科尔根 – 马克斯·普朗克研究所
图像： 图像由神经科学新闻提供
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