Cerebellar control of precise and adaptive movements

2026年6月11日上午，北京脑科学与类脑研究所邀请清华大学基础医学院助理教授周牧博士开展了一场题为“Cerebellar control of precise and adaptive movements”的学术报告。报告由脑所研究员崔翯老师主持。

周牧博士 清华大学基础医学院助理教授

周牧教授于2007年在中国科技大学生物系获得理学学士学位；2014年在美国南加州大学获博士学位；随后在斯坦福大学诺奖得主Thomas Südhof实验室从事博士后研究。自2021年起，周牧教授任职于清华大学，现为基础医学院助理教授、IDG/麦戈文脑科学研究院及生命科学中心研究员。

周牧教授的研究聚焦于运动行为的神经环路机制，重点探索小脑和脑干神经环路在精细运动调控中的功能。本次报告主要围绕一个核心问题展开：小脑是否参与基于感觉反馈的快速运动修正（rapid sensory-dependent movement correction），这种修正是如何实现的？

运动皮层向外周发出运动指令（motor command）的同时，也将信号副本传递给小脑；同时，小脑持续接收来自外周的感觉反馈（sensory feedback），因而具备比较二者差异、生成修正信号的基本条件。临床上，小脑损伤的病人常表现出运动测距障碍（dysmetria），与本体感觉缺失病人的症状类似，提示小脑可能参与感觉依赖的运动过程修正。周牧教授在此前的研究工作中发现，若小脑深部核团（deep cerebellar nuclei, DCN或CBN）中的小清蛋白阳性神经元（parvalbumin neurons, PV neurons）功能异常，小鼠会表现出明显的动作性震颤（action tremor）。DCN是小脑的主要输出结构。基于以上证据，小脑很可能在基于感觉反馈的运动修正中发挥重要作用。

Zhou et al., J Cli Invest, 2020

为探究这一问题，周牧教授课题组首先建立了一套行为学范式：小鼠需推动操纵杆至特定位置以获得奖励。在小鼠熟练掌握任务后，部分试次中将会被随机引入不可预测的机械扰动（perturbation）——向操纵杆施加一个与运动方向相反的外力，小鼠需在试次内迅速调整推力以对抗外界阻力。

通过光遗传学实验，周牧教授团队发现，在运动过程中抑制运动皮层的神经元活动，并不会影响小鼠对扰动的反应，而抑制DCN输出则会显著减弱运动修正（movement correction）表现。值得注意的是，抑制同侧或对侧DCN均会对运动修正过程产生影响。这一结果与传统认为的“小脑控制同侧运动”观点并不一致。小脑可能通过脑干双侧投射网络参与了这一反馈控制过程。

同时，Neuropixels电生理记录的结果显示，DCN中存在一类特殊神经元，其活动仅在扰动出现后被激活，而与运动本身不相关。那么，这些神经元编码的具体是扰动本身带来的感觉输入，还是随后产生的运动修正信息？通过设置不同的扰动强度，并结合行为分析，以上两种因素得以分离。群体分析的结果表明，DCN神经元编码的是运动修正信息。因此，小脑参与了运动中的实时修正过程（online movement correction）。

运动修正的实现依赖于持续的感觉反馈输入。为进一步理解这一过程，研究团队将关注点投向本体感觉（proprioception）信息的编码与传递。

外侧楔束核（external cuneate nucleus，ECN）是小脑获得前肢本体感觉信息的重要来源。为检测ECN神经元对本体感觉的编码，研究团队设计了一套能够灵活控制前肢移动的操纵杆系统。电生理记录结果显示，ECN神经元活动对前肢终点位置表现出明显的选择性，其中对前后方向（anterior-posterior axis）的位置变化编码更为精确，而内外侧方向（medial–lateral axis）的位置变化编码相对较弱。

为解析本体感觉信号与肌肉状态之间的关系，研究团队借助微型CT扫描与三维重构技术，构建了小鼠前肢肌肉骨骼模型。结合机器学习分析发现，肌肉长度的变化能够较好地预测ECN神经元活动；且这种预测在前后方向运动过程中表现得更为准确。研究结果表明，ECN神经元更倾向于编码肌肉本身状态，而非空间位置参数。进一步的分析显示，这种方向依赖性的编码差异并非源于单块肌肉活动特征，而更可能来源于多个肌肉输入整合方式的不同。

为进一步验证ECN神经元编码信息的行为学意义，研究团队利用毒素抑制小鼠ECN活动，结果发现，小鼠在前后方向的运动精度显著下降，而内外侧未表现出明显变化。基于以上结果，研究团队认为，ECN通过整合肌肉长度变化输入向小脑提供高精度的本体感觉信息参与运动控制，尤其在前后方向的位置调节中发挥重要作用。周牧教授提出，不同感觉模态对运动定位的贡献可能并不相同。视觉通常可以为左右（内外）方向的位置判断提供更可靠的信息。而对于深度（前后）方向的估计，来自肌肉和关节的本体感觉可能发挥更为重要的作用。

此外，周牧教授还介绍了实验室正在开展的多项技术平台建设工作，包括结合多摄像头与X射线成像建立高精度运动追踪系统，并利用数据集训练深度学习模型；同时构建高维运动仿真平台，以模拟小鼠全身肌肉的协同活动，结合强化学习算法训练模型产生运动行为。

报告的最后，听众对报告内容展开了深入友好的讨论。提出的问题主要包括小脑参与实时运动修正的理论依据与创新性，小脑下游环路及运动修正信号的来源，本体感觉信息的性质及传递机制，肌肉骨骼模型与EMG记录的结合验证等等。周牧教授对以上问题进行了详细解答。

撰稿人：张新艳