本文发表于2023年5月11日的《自然》（Nature）期刊，题为《运动皮层中的躯体-认知动作网络与效应器区域交替出现》。该研究由Evan M. Gordon、Roselyne J. Chauvin、Andrew N. Van等来自多个研究机构的学者共同完成，主要研究领域为神经科学，特别是运动皮层（motor cortex, M1）的功能组织。
自20世纪30年代以来，Penfield等人通过直接皮层刺激技术绘制了人类运动皮层的“小人图”（homunculus），认为M1是一个从头到脚的连续体，分别对应身体不同部位的运动控制。然而，近年来的研究表明，M1的组织结构可能比传统的小人图模型更为复杂。非人类灵长类动物的研究显示，M1可能分为前部的粗大运动控制区和后部的精细运动控制区，且存在复杂的动作映射。本研究旨在通过高精度功能磁共振成像（fMRI）技术，重新审视M1的组织结构，揭示其功能分区的复杂性。
研究采用了高精度的功能磁共振成像（precision functional MRI, pFMRI）技术，结合静息态功能连接（resting-state functional connectivity, RSFC）和任务态fMRI数据，对M1的功能组织进行了详细分析。研究纳入了多个大型fMRI数据集，包括人类连接组计划（Human Connectome Project, HCP）、青少年脑认知发展研究（Adolescent Brain Cognitive Development, ABCD）和英国生物银行（UK Biobank, UKB），总样本量约为50,000人。此外，研究还结合了猕猴和人类新生儿、婴儿及儿童的数据，探讨了M1功能组织的跨物种同源性和发育过程。
研究的主要步骤包括： 1. 数据采集：通过高分辨率fMRI技术，采集了大量静息态和任务态fMRI数据，并结合扩散成像数据，绘制了M1及其连接的高精度图谱。 2. 功能连接分析：通过RSFC技术，分析了M1内部及其与其他脑区（如扣带-岛盖网络，cingulo-opercular network, CON）的功能连接模式。 3. 任务态fMRI实验：设计了一系列运动任务，包括脚、手和嘴的运动，以及复杂的动作协调任务，以验证M1的功能分区。 4. 跨物种和发育分析：通过猕猴和人类不同发育阶段的数据，验证了M1功能组织的跨物种同源性和发育过程。
研究发现，M1并非传统意义上的连续小人图，而是由效应器特异性区域（如脚、手和嘴）与一个新型的“躯体-认知动作网络”（somato-cognitive action network, SCAN）交替组成。SCAN区域位于效应器特异性区域之间，表现出较低的皮层厚度和强烈的功能连接，特别是在CON网络中。SCAN区域在动作规划和全身运动（如腹部或眉毛的运动）中表现出协同激活，而在特定运动任务中则缺乏特异性。
此外，研究还发现，M1的功能组织呈现出同心圆状的分布模式，远端身体部位（如脚趾、手指和舌头）位于中心，而近端部位（如膝盖、肩膀和喉部）则位于外围。这种同心圆结构与传统的线性小人图模型不符，进一步支持了M1功能组织的复杂性。
研究提出了一个“整合-隔离”模型（integrate-isolate model），认为M1中存在两个平行的系统：一个是效应器特异性区域，负责精细的孤立运动控制；另一个是SCAN，负责整合全身动作、生理控制和动作规划。SCAN与CON网络的强连接表明，它在动作规划和全身控制中起着关键作用。这一发现挑战了传统的M1小人图模型，揭示了M1在动作控制和生理调节中的复杂功能。
该研究不仅深化了我们对M1功能组织的理解，还为神经科学领域提供了新的研究方向。SCAN的发现为解释全身动作控制、生理调节和动作规划提供了新的神经基础，特别是在复杂动作（如工具使用和语言协调）中的整合作用。此外，研究还揭示了M1在发育和进化中的保守性，为理解人类运动控制的进化提供了新的视角。
研究还探讨了SCAN在临床神经学中的潜在应用，特别是在运动障碍（如帕金森病）中的意义。SCAN与丘脑运动核的连接可能为临床干预（如深部脑刺激）提供新的靶点。此外，研究还揭示了M1在感觉系统中的平行组织特征，为进一步研究感觉-运动整合提供了新的思路。
总之，该研究通过高精度成像技术揭示了M1功能组织的复杂性，提出了新的理论模型，并为神经科学和临床医学提供了重要的研究方向和潜在应用价值。