人类大脑运动皮层之外的体感运动图谱研究

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体感运动图谱 外侧枕颞叶皮层 楔前叶 功能磁共振成像 运动控制

大脑皮层运动图谱的新发现

背景介绍

人类和其他灵长类动物能够执行多种复杂的身体运动，这些运动的启动和控制依赖于多个皮层和皮层下结构。其中，初级运动皮层（Primary Motor Cortex, M1）位于中央前回（precentral gyrus），是执行运动的核心区域。M1的一个重要特性是其躯体拓扑组织（somatotopic organization），即神经元的位置与它们控制的身体部位之间存在系统性的对应关系。例如，从中央前回的顶部向腹侧延伸，神经元依次控制脚、腿、手、手臂、上躯干、面部和头部。这一组织结构的早期证据来自于对接受清醒开颅手术的患者进行直接电刺激的实验。

近年来，有研究表明，除了M1之外，外侧枕颞皮层（Lateral Occipitotemporal Cortex, LOTC）和楔前叶（precuneus）也可能存在类似的躯体运动图谱。这些发现对我们理解运动行为的组织方式具有重要意义，尤其是揭示了视觉和运动相关活动之间的相互作用。然而，这些新提出的运动图谱的证据仍然有限。因此，本研究旨在通过分析一个开放的功能性磁共振成像（fMRI）数据集，重新评估LOTC和楔前叶是否存在躯体运动图谱。

论文来源

本研究由Deyan Ivaylov Mitev、Kami Koldewyn和Paul E. Downing共同完成，他们来自英国班戈大学（Bangor University）心理学系。论文于2024年12月3日首次发表在《Journal of Neurophysiology》上，DOI为10.1152/jn.00160.2024。

研究流程

1. 数据集与参与者

本研究分析了一个开放的fMRI数据集，该数据集包含62名参与者，每名参与者执行了12种不同的身体部位运动。所有参与者均为右利手，年龄在19至29岁之间。研究团队在扫描前对参与者进行了行为训练，以减少头部运动对数据的影响。

2. fMRI实验设计

参与者被要求执行简单的身体部位运动，包括脚趾、脚踝、左腿、右腿、手指、手腕、前臂、上臂、下巴、嘴唇、舌头和眼睛的运动。所有运动均为双侧进行，除了腿部运动分为左腿和右腿。实验采用块设计（block design），每个运动块持续16秒，每个扫描运行包含6个运动块和休息块。

3. 数据分析

研究采用了表面基分析（surface-based analysis）方法，将每个参与者的fMRI数据映射到标准化的皮层表面（fsaverage模板）。研究团队设计了一系列定量指标，用于测试LOTC和楔前叶是否存在类似M1的躯体运动图谱。具体方法包括：

  • 分半可靠性分析（Split-half reliability analysis）：将数据分为奇数和偶数运行，计算每个小区域对不同身体部位运动的响应相关性。
  • 空间自相关分析（Spatial autocorrelation analysis）：评估不同距离下皮层区域对运动响应的相关性变化。
  • 表征相似性分析（Representational similarity analysis）：测试LOTC和楔前叶的响应模式是否符合“从上到下”或“从外到内”的躯体图谱模型。
  • 背景连接性分析（Background connectivity analysis）：通过分析GLM残差时间序列，评估M1与LOTC、楔前叶之间的功能连接性。

主要结果

1. M1和S1的躯体运动图谱

研究首先验证了M1和初级体感皮层（Primary Somatosensory Cortex, S1）的躯体运动图谱。结果显示，M1和S1的响应模式与经典的躯体图谱一致，即从背侧到腹侧依次对应腿、手臂、手指和头部的运动。分半可靠性分析显示，M1和S1对不同身体部位运动的响应具有高度可靠性，空间自相关分析也表明，随着距离的增加，响应模式的相关性逐渐降低，甚至变为负相关。

2. LOTC和楔前叶的响应模式

在LOTC中，研究发现了较弱的运动响应，且几乎没有证据表明存在躯体运动图谱。分半可靠性分析显示，LOTC对不同身体部位运动的响应具有一定的可靠性，但空间自相关分析表明，响应模式在LOTC区域内没有明显的距离依赖性变化。表征相似性分析也未发现LOTC的响应模式符合“从上到下”或“从外到内”的躯体图谱模型。

在楔前叶中，研究发现了有限的躯体运动图谱证据。分半可靠性分析显示，楔前叶对不同身体部位运动的响应具有一定的可靠性，空间自相关分析在部分区域显示出随着距离增加响应模式相关性降低的趋势。表征相似性分析显示，楔前叶的响应模式在部分区域符合“从外到内”的躯体图谱模型。

3. 背景连接性分析

背景连接性分析显示，M1与LOTC之间的连接性较弱，且没有明显的躯体图谱模式。然而，M1与楔前叶之间的连接性显示出一定的躯体图谱特征，尤其是在右半球，楔前叶的下后部与M1的头部运动区域连接较强，而上前部与M1的手臂运动区域连接较强。

结论与意义

本研究通过定量分析fMRI数据，重新评估了LOTC和楔前叶是否存在躯体运动图谱。结果显示，LOTC几乎没有证据支持存在躯体运动图谱，而楔前叶则显示出有限的躯体图谱特征，尤其是在功能连接性分析中。这些发现为我们理解人类运动表征的组织方式提供了新的见解，尤其是揭示了视觉和运动相关活动之间的复杂关系。

研究亮点

  1. 大规模数据集：本研究分析了一个包含62名参与者的大规模fMRI数据集，提供了高统计效力的结果。
  2. 定量分析方法：研究设计了一系列定量指标，用于客观评估躯体运动图谱的存在。
  3. 表面基分析：采用表面基分析方法，提高了对皮层表面连续响应模式的敏感性。
  4. 背景连接性分析：通过背景连接性分析，揭示了M1与楔前叶之间的躯体图谱特征。