小腦并非我們所想的那樣

編譯 莫莊非

長(zhǎng)期以來(lái)，科學(xué)家多認(rèn)為小腦僅僅是運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)中樞，可現(xiàn)在，他們覺(jué)得它還有更多功能。

曾有一名22歲的女大學(xué)生不慎滑倒，頭部遭受撞擊。被送入醫(yī)院時(shí)，醫(yī)生給她做了一次CT掃描，結(jié)果意外發(fā)現(xiàn)她的小腦內(nèi)有一個(gè)拳頭大小的腫瘤。在成功清除腫瘤后，這位女生開(kāi)始出現(xiàn)反常行為：情緒低落，舉止怪異（例如在醫(yī)院走廊里脫衣服），說(shuō)話語(yǔ)速快，音調(diào)高，含混不清，在進(jìn)行基本的算術(shù)、繪畫(huà)、閱讀和寫(xiě)作時(shí)也甚感吃力。盡管手術(shù)結(jié)束后幾周情況略有改善，但要知道她足足花了兩年時(shí)間才通過(guò)一所大專(zhuān)的補(bǔ)習(xí)課程，而且20多年后的現(xiàn)在，她的決策能力依然弱于常人。

這個(gè)不尋常的病例首現(xiàn)于20世紀(jì)90年代，它違背了存在了一個(gè)多世紀(jì)的傳統(tǒng)認(rèn)知：小腦的功能僅限于協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)。

當(dāng)我們想象人腦時(shí)，映入大多數(shù)人腦海的是由細(xì)胞薄層覆蓋著皺褶的棒球手套狀的腫塊——大腦皮質(zhì)，而小腦位于皮質(zhì)的“后座”處，且在許多神經(jīng)科學(xué)家眼里都是無(wú)所作為輕如鴻毛般的存在，以致神經(jīng)影像學(xué)研究系統(tǒng)的常規(guī)操作都忽略掉它的影像，或者當(dāng)研究者們出于各種研究目的而要移取動(dòng)物的腦時(shí)，都會(huì)習(xí)慣砍掉小腦結(jié)構(gòu)并丟棄。美國(guó)愛(ài)荷華大學(xué)的神經(jīng)科學(xué)家克里斯托·帕克（Krystal Parker）表示：“這個(gè)領(lǐng)域長(zhǎng)期以來(lái)都是這樣對(duì)待小腦的。”

然而，隨著越來(lái)越多的證據(jù)表明小腦對(duì)認(rèn)知、情感和社交行為有很大影響，故事才慢慢有了轉(zhuǎn)機(jī)。最關(guān)鍵的是，有研究表明小腦可能與自閉癥、精神分裂癥以及其他腦部疾病有著至關(guān)重要的聯(lián)系。目前，研究人員正在探索老鼠和人類(lèi)的腦，試圖找出串聯(lián)小腦與神經(jīng)系統(tǒng)疾病的線索。

華盛頓美利堅(jiān)大學(xué)（AU）的神經(jīng)科學(xué)家凱瑟琳·斯特勞蒂（Catherine Stoodley）表示：“小腦相關(guān)研究在過(guò)去幾年呈爆炸性增長(zhǎng)，這非常令人興奮。”斯特勞蒂曾于2019年作為共同作者在《神經(jīng)科學(xué)年鑒》（AnnualReviewofNeuroscience）上發(fā)表論文。

乍一看，小腦看起來(lái)像一個(gè)皺巴巴、長(zhǎng)得過(guò)大的核桃殼；如果仔細(xì)觀察，會(huì)發(fā)現(xiàn)它兩個(gè)半球表面的皺褶很深，并分裂成形似珊瑚的分支網(wǎng)絡(luò)；倘若通過(guò)顯微鏡盯著瞧，還可以看到密密麻麻的細(xì)胞均勻分布。小腦質(zhì)量?jī)H為大腦質(zhì)量的10%，但神經(jīng)元數(shù)量比后者的一半還多，在表面積上甚至很接近后者——如果鋪開(kāi)來(lái)，小腦的表面積將接近大腦皮質(zhì)表面積的80%。

人類(lèi)關(guān)于小腦的最早期的實(shí)驗(yàn)距今已有數(shù)百年歷史，不過(guò)并無(wú)出彩之處，科學(xué)家們只是從活體動(dòng)物身上取下小腦，再觀察它們的行為。例如，19世紀(jì)的法國(guó)生理學(xué)家皮埃爾·弗盧龍（Marie-Jean-Pierre Flourens）給鴿子做了小腦切除術(shù)，之后發(fā)現(xiàn)并報(bào)告了它們“開(kāi)始搖搖晃晃，好像喝醉了一樣”的情況。這些發(fā)現(xiàn)促使他提出——小腦結(jié)構(gòu)對(duì)于運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)是必要的。后來(lái)研究者對(duì)小腦損傷患者的臨床觀察證實(shí)了弗盧龍的推測(cè)，也就此奠定了小腦近兩個(gè)世紀(jì)的 “運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)結(jié)構(gòu)”的地位。

不過(guò)自20世紀(jì)80年代起，以亨麗埃塔·萊納（Henrietta Leiner）為首的一部分科學(xué)家開(kāi)始挑戰(zhàn)該理論。萊納最初接受的是數(shù)學(xué)、物理學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)方面的訓(xùn)練，但后來(lái)對(duì)神經(jīng)解剖學(xué)產(chǎn)生了興趣。她對(duì)“為什么小腦與大腦皮層之間會(huì)有粗大的神經(jīng)纖維連接”這個(gè)問(wèn)題十分著迷；萊納的另一個(gè)疑問(wèn)就是為什么人類(lèi)相比其他動(dòng)物，小腦的進(jìn)化水平高得多。（有專(zhuān)家估計(jì)人類(lèi)小腦的平均大小是靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物的2.8倍。）如果只是為了協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，人類(lèi)的小腦何須如此發(fā)達(dá)？1986年，萊納和她的丈夫——計(jì)算機(jī)科學(xué)家艾倫·萊納（Alan Leiner），以及神經(jīng)病學(xué)家羅伯特·道（Robert Dow）共同提出了一個(gè)激進(jìn)的假設(shè)：人類(lèi)的小腦會(huì)負(fù)責(zé)部分核心思維能力，例如計(jì)劃行動(dòng)的能力。

當(dāng)時(shí)在波士頓市醫(yī)院任職的神經(jīng)病學(xué)專(zhuān)家杰里米·施馬赫曼（Jeremy Schmahmann）也對(duì)小腦產(chǎn)生了濃厚的興趣。他的興趣源于新出現(xiàn)的證據(jù)，即曾經(jīng)被認(rèn)為僅參與運(yùn)動(dòng)控制的基底核（又稱(chēng)基底神經(jīng)節(jié)，位于大腦深部的髓質(zhì)，與大腦皮質(zhì)相連）也有助于認(rèn)知，這令施馬赫曼猜測(cè)小腦是否同樣如此。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，施馬赫曼在哈佛醫(yī)學(xué)院圖書(shū)館的書(shū)架上進(jìn)行了他所謂的“考古挖掘”。在那兒，他發(fā)現(xiàn)了可以追溯到17世紀(jì)的手稿，它們記載了小腦損傷患者出現(xiàn)認(rèn)知、社交和情感障礙的實(shí)例——以及極少數(shù)天生就沒(méi)有小腦的病例。施馬赫曼說(shuō)道：“有些反主流文化現(xiàn)象可以追溯到被我們完全忽略了的開(kāi)始階段。”施馬赫曼是馬薩諸塞州總醫(yī)院的神經(jīng)病學(xué)家，與斯特勞蒂合著了前文提及的刊載于《神經(jīng)科學(xué)年鑒》的綜述文章。

在圖書(shū)館里的“考古挖掘”說(shuō)服了施馬赫曼去開(kāi)展進(jìn)一步調(diào)查。他與自己的顧問(wèn)、神經(jīng)解剖學(xué)家迪帕克·潘迪亞（Deepak Pandya）通過(guò)針對(duì)猴子的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：小腦通過(guò)腦干接收來(lái)自大腦皮層部分區(qū)域（與語(yǔ)言、注意力和記憶相關(guān)）的輸入信號(hào)。施馬赫曼說(shuō)道：“這完全違背科學(xué)常識(shí)。反對(duì)我們新主張的傳統(tǒng)派人多勢(shì)眾，可只要給出有說(shuō)服力的數(shù)據(jù)，大多數(shù)反對(duì)方都會(huì)改變老觀點(diǎn)。”

與施馬赫曼的研究同時(shí)段開(kāi)展的，還有來(lái)自匹茲堡大學(xué)的神經(jīng)生物學(xué)家彼得·斯特里克（Peter Strick）領(lǐng)導(dǎo)的另一個(gè)小組的“反向傳輸”工作。他們追蹤了從小腦到大腦區(qū)域的連接。這種雙向通信證明小腦的作用遠(yuǎn)不止于協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)。

隨后的臨床觀察和神經(jīng)影像學(xué)研究進(jìn)一步證實(shí)了這一觀點(diǎn)。

20世紀(jì)90年代后期，施馬赫曼報(bào)告了關(guān)于小腦認(rèn)知情感綜合征（CCAS）的第一個(gè)描述。他在研究過(guò)程中觀察到那些小腦受損者（包括小腦衰退、中風(fēng)或感染，以及經(jīng)歷過(guò)小腦腫瘤切除等）會(huì)表現(xiàn)出各種各樣的認(rèn)知和行為障礙（其中包括抽象推理和計(jì)劃方面的困難）、人格變化（例如一些小腦長(zhǎng)瘤的大學(xué)生存在情緒表達(dá)障礙和行為失當(dāng)?shù)葐?wèn)題）以及語(yǔ)言問(wèn)題。一些病人在幾個(gè)月后康復(fù)；另一部分人的癥狀則持續(xù)多年。這些情況進(jìn)一步證明了小腦確實(shí)參與了多種認(rèn)知過(guò)程，而CCAS后來(lái)又被人稱(chēng)為“施馬赫曼綜合征”。

極個(gè)別天生缺少部分小腦的病例所表現(xiàn)的癥狀也提示了小腦可能具備更廣泛的功能——除了身體協(xié)調(diào)性受損，他們還表現(xiàn)出諸如強(qiáng)迫癥或難以理解社交信息等自閉癥特征，這些都屬于施馬赫曼綜合征的范疇。

在另一項(xiàng)有影響力的研究中，哈佛大學(xué)的神經(jīng)科學(xué)家蘭迪·巴克納（Randy Buckner）和同事描繪了人類(lèi)大腦皮層與小腦間的通訊情況。研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)功能性磁共振成像（fMRI）掃描健康人的腦，結(jié)果發(fā)現(xiàn)他們小腦大部分區(qū)域的活動(dòng)與大腦皮層負(fù)責(zé)認(rèn)知功能的區(qū)域（而不是運(yùn)動(dòng)相關(guān)的區(qū)域）的活動(dòng)是同步的。馬薩諸塞州麥克萊恩醫(yī)院的精神病醫(yī)生安·西恩（Ann Shinn）表示：“該論文令人難以置信，因?yàn)樗砻餍∧X的主要功能并非負(fù)責(zé)運(yùn)動(dòng)。”

這些研究日益表明，小腦具有許多作用。但是仍有一個(gè)大問(wèn)題需要解決：它的整體功能到底是什么？

一些科學(xué)家基于小腦中高度組織化的網(wǎng)格狀細(xì)胞結(jié)構(gòu)，提出了小腦可以執(zhí)行單次計(jì)算的想法。不過(guò)，究竟哪種計(jì)算可以解釋小腦對(duì)運(yùn)動(dòng)、認(rèn)知和情感的參與過(guò)程仍是一個(gè)懸而未決的問(wèn)題。

考慮到小腦的多種功能，一些科學(xué)家推測(cè)它可能與幾種腦部疾病有關(guān)，其中關(guān)于自閉癥和精神分裂癥與小腦存在聯(lián)系的證據(jù)最充足。

小腦異常是自閉癥患者最常見(jiàn)的神經(jīng)解剖學(xué)特點(diǎn)。醫(yī)生們觀察到，如果兒童在出生時(shí)遭遇小腦損傷，那么他罹患自閉癥的風(fēng)險(xiǎn)就會(huì)大大增加。近期的研究還表明，小腦可能會(huì)對(duì)發(fā)育產(chǎn)生巨大影響，如果它的早期發(fā)育不正常，自閉癥很可能隨之而來(lái)。

美國(guó)普林斯頓大學(xué)的神經(jīng)科學(xué)家王聲宏（Sam Wang）和他的團(tuán)隊(duì)曾使用化學(xué)遺傳學(xué)的方法通過(guò)向大腦注入工程化分子以操縱特定神經(jīng)回路）滅活處于發(fā)育期的小鼠的小腦，結(jié)果發(fā)現(xiàn)小鼠表現(xiàn)出了類(lèi)似人類(lèi)自閉癥的行為模式——它們變得更愿意去面對(duì)無(wú)生命物體而非有血有肉的同類(lèi)，也更難以應(yīng)付新任務(wù)。然而，當(dāng)他們把相同操作用在成年小鼠身上時(shí)，并未觀察到相同情況。

另有研究人員發(fā)現(xiàn)，針對(duì)小腦的特定刺激有可能產(chǎn)生正面作用。斯特勞蒂和她的同事證明，用化學(xué)遺傳學(xué)方法刺激小腦可以逆轉(zhuǎn)表現(xiàn)出自閉癥特點(diǎn)的模式小鼠的社交缺陷。她的實(shí)驗(yàn)室目前正在嘗試通過(guò)靶向小腦的“經(jīng)顱直流電刺激”（tDCS，通過(guò)放置于頭部的電極調(diào)節(jié)大腦活動(dòng)）來(lái)改善自閉癥患者和“沒(méi)有神經(jīng)發(fā)育”/智能障礙的自閉癥人群的社交能力。

小腦可能與精神分裂癥有關(guān)的說(shuō)法已經(jīng)存在了數(shù)十年，但直到最近，我們才得到了一些實(shí)驗(yàn)證據(jù)。2019年，施馬赫曼所在的研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)小腦施加“經(jīng)顱磁刺激”（TMS，借助磁體使大腦內(nèi)部產(chǎn)生電流），成功緩解了精神分裂癥患者的癥狀，包括快樂(lè)感缺失和動(dòng)力缺失。如果TMS治療最終被證明確實(shí)有效，那么長(zhǎng)期的治療需求就將得到滿足。抗精神病藥可以有效減輕精神分裂癥的陽(yáng)性癥狀，例如幻覺(jué)和妄想，但針對(duì)陰性癥狀的療法仍難見(jiàn)端倪。

參與該試驗(yàn)的哈佛醫(yī)學(xué)院貝絲以色列女執(zhí)事醫(yī)療中心的精神病醫(yī)生羅斯科·布雷迪（Roscoe Brady）表示：“在讓TMS真正成為一種自閉癥療法前，我們需要做很多事情。”另外他也指出，TMS療法是他所知道的所有已發(fā)表研究中最有希望的選擇之一。

布雷迪和他的同事目前正在針對(duì)更多研究對(duì)象開(kāi)展后續(xù)研究。他們也正在探究針對(duì)小腦的刺激減輕自閉癥狀的機(jī)制。愛(ài)荷華大學(xué)的帕克等人還在測(cè)試小腦TMS是否有助于改善精神分裂癥、躁郁癥、抑郁癥和帕金森病等疾病患者的情緒和認(rèn)知能力。帕克表示，在許多情況下，病人在任務(wù)記憶、注意力和計(jì)劃能力方面的缺陷非常相似。她希望能將小腦與每種疾病間的關(guān)聯(lián)單獨(dú)分析，進(jìn)而研得新療法。

圍繞小腦展開(kāi)的精神疾病治療是否確有療效且普遍適用仍有待觀察。然而，小腦的功能顯然不可再被忽視了，它在整個(gè)腦中的作用以及對(duì)腦功能的貢獻(xiàn)可能比過(guò)去科學(xué)家們所認(rèn)為的要大得多。

資料來(lái)源TheAtlantic