大脑如何控制后退？罗敏敏团队发现后退运动中心，揭示方向选择性的脑干运动环路 | Neuron

动物在复杂环境中不仅需要向前运动，还需要根据环境快速完成转向、停止和后退。与前进相比，后退运动在肢体运动学、肌肉募集模式以及脊髓神经活动模式上均具有明显差异。然而，哺乳动物大脑如何产生并维持后退运动指令，以及不同运动方向在脑干中如何组织，长期以来仍缺乏清晰的神经环路解释。

2026年10月15日，北京脑科学与类脑研究所罗敏敏团队联合重庆脑与智能科学中心、北京生命科学研究所、首都医科大学宣武医院等单位，在 Neuron 杂志在线发表题为 “A brainstem module for backward locomotion reveals direction-selective premotor circuits” 的研究论文。研究鉴定出一个与后退运动密切相关的脑干区域——脑桥后退运动中心（pontine backward locomotion center，PBLC），并进一步解析了PBLC通过延髓向脊髓传递后退运动指令的神经环路。同时，研究发现PBLC邻近的多个脑干区域分别与前进、转向和运动停止相关，提示脑干中存在一种与运动方向和动作类型相关的空间与环路组织。

从全脑活动图谱中找到后退运动相关的脑干区域

为了寻找参与后退运动的神经环路，研究人员首先建立小鼠后退运动行为范式，并对后退运动后的全脑c-Fos表达进行系统分析。

结果显示，后退运动可募集多个与运动、觉醒和情绪等相关的脑区。其中，在脑桥中央灰质外侧、面神经背侧存在一个此前没有明确功能定义的局部区域，其c-Fos阳性细胞密度在后退运动后显著增加。研究人员根据其解剖学位置和功能特征，将这一脑区命名为脑桥后退运动中心（PBLC）。进一步的细胞类型分析发现，后退运动过程中被募集的PBLC神经元主要为谷氨酸能神经元。

为判断PBLC活动是否真正与自然后退行为相关，研究团队进一步利用光纤记录技术监测自由活动小鼠的PBLC谷氨酸能神经元活动。结果显示，这些神经元的钙信号在动物后退时明显增强，而在前进运动中的变化相对较弱，表明PBLC谷氨酸能神经元的活动具有明显的后退运动相关性。

图1. PBLC谷氨酸能神经元在后退运动过程中被选择性募集

激活PBLC谷氨酸能神经元诱发显著的后退运动，而抑制其活性则阻断后退

相关性并不能说明PBLC是否真正参与后退运动的产生。为此，研究人员进一步利用光遗传学和化学遗传学方法操控PBLC谷氨酸能神经元的活动。

光遗传学激活PBLC谷氨酸能神经元后，小鼠迅速产生明显而持续的后退运动（后退速率峰值约80 cm/s），并且运动速度随刺激频率增加而升高。步态分析进一步显示，光遗传刺激诱导的后退运动与动物自然或被迫后退时具有相似的步态特征，表明 PBLC 的激活能够诱发具有自然后退运动特征的协调性运动。化学遗传学持续激活PBLC谷氨酸能神经元同样显著增加了小鼠后退行为的发生频次和总持续时间。

图2. 激活PBLC谷氨酸能神经元诱发显著的后退运动

相反，当研究人员在不同后退行为情境中抑制PBLC谷氨酸能神经元时，正在进行的后退运动会受到明显抑制；而在开放场中的正常前进运动基本不受影响。这些实验从活动相关性、充分性和必要性多个层面支持了PBLC谷氨酸能神经元在后退运动控制中的重要作用。

图3. 抑制PBLC谷氨酸能神经元显著抑制后退运动

PBLC如何把后退指令传向脊髓？

找到PBLC之后，一个进一步的问题是：这一脑干区域产生的后退相关信号如何进入运动执行系统？

通过神经环路示踪，研究团队系统解析了 PBLC 的输入与输出连接，发现其谷氨酸能神经元向多个脑区发送投射，其中包括 Pfr（peri-fasciculus retroflexus）以及延髓旁正中网状核（PMn）等区域。膜片钳电生理实验进一步证明，PBLC能够向这些下游神经元提供功能性谷氨酸能兴奋性输入。

研究人员随后重点分析了具有直接脊髓投射的PMn通路。激活PMn谷氨酸能神经元能够诱发后退运动；更重要的是，选择性激活投射至脊髓的PMn谷氨酸能神经元同样足以产生后退运动。反之，选择性清除PMn谷氨酸能神经元显著削弱了PBLC诱发的后退运动，表明PMn是介导这一运动行为的关键下游节点。

这些结果共同表明，PMn是PBLC后退运动信号通向脊髓运动执行系统的重要延髓中继节点。研究由此建立了从脑桥PBLC到延髓PMn，再进一步连接脊髓运动系统的后退运动下行通路。

图4. PBLC—PMn通路将后退相关运动指令传向脊髓

前进、转向、停止和后退是否具有不同的脑干控制模块？

PBLC并不是孤立存在的。研究人员注意到，在PBLC的前方依次分布着多个已知或潜在参与运动控制的脑干区域。通过解剖定位、光遗传刺激以及神经活动记录，研究团队进一步比较了四个相邻的谷氨酸能神经元群体：楔状核（CnF）与前进运动相关；腹侧背外侧被盖核（LDTgV）与同侧转向相关；外侧臂旁核（PBNl）与运动停止相关；而PBLC与后退运动相关。

进一步的环路分析发现，这些脑干区域分别向各自的上行和下行靶区发送功能性投射。CnF、LDTgV和PBLC均存在与其运动效应相关的上行和下行通路，而PBNl则主要通过延髓相关区域参与运动停止。

这些结果提示，与前进、转向、停止和后退相关的神经元群体在脑干内具有一定的空间组织，并通过部分平行但并非完全相同的投射通路影响运动执行。需要指出的是，这种组织并不意味着严格的“脑区—行为”对应关系。论文特别强调，这些脑区内部仍可能存在分子、投射以及亚区域层面的异质性，不同脑区之间也可能通过上行和下行通路发生复杂交互。

图5. 与不同运动行为相关的脑干神经元群体及其投射组织

从后退运动到脑干运动控制的组织规律

长期以来，人们对脑干如何控制前进运动已有一定认识，但后退是否只是前进运动的简单反演，以及运动方向的转换究竟发生在大脑还是脊髓层级，仍是尚未解决的重要科学问题。本研究鉴定了脑桥后退运动中心PBLC，揭示了其经延髓向脊髓传递后退运动指令的下行环路，为理解运动方向控制的神经机制提供了新的证据。

更重要的是，研究将后退运动置于前进、转向和停止等多种运动行为的共同框架下，发现参与不同运动行为的脑干神经元群体具有一定的空间组织规律，并通过部分平行的神经通路参与运动控制。其中，参与前进、转向和后退等方向性运动的神经元群体还具有相似的环路架构。

综上，这项研究以揭示后退运动的神经机制为切入点，揭示了脑干方向选择性运动环路的组织规律，为理解大脑如何产生不同方向的运动指令，以及这些指令如何转化为协调的运动行为提供了新的研究视角。

论文信息

该研究由北京脑科学与类脑研究所、重庆脑与智能科学中心、北京生命科学研究所、首都医科大学宣武医院以及中国医学科学院北京脑科学研究所等单位合作完成。

重庆脑与智能科学中心青年研究员刘志祥、北京生命科学研究所卢立辉（现单位：加州大学旧金山分校）为论文共同第一作者，刘志祥和北京脑科学与类脑研究所罗敏敏研究员为共同通讯作者。论文其他作者包括狄润、崔玉婷、刘杨、任青霞、戴睿成、吴文婷和王睿宇。

原文链接： https://www.cell.com/neuron/abstract/S0896-6273(26)00737-3