猴尾侧扣带运动区、辅助运动区和初级运动皮层中对侧运动起始相关信号存在差异，而同侧运动起始相关信号的区域差异较弱

《Neuroscience Research》：Movement initiation-related signals differ across the caudal cingulate motor area, supplementary motor area, and primary motor cortex for contralateral but less so for ipsilateral movements in monkeys

　　

摘要专业翻译 研究人员从猴的尾侧扣带运动区（caudal cingulate motor area, CMAc）、辅助运动区（supplementary motor area, SMA）和初级运动皮层（primary motor cortex, M1）记录了单神经元活动，并通过逐试次（trial-by-trial）的神经元放电与反应时（reaction time, RT）相关性分析评估了运动起始相关信号。研究发现，对侧肢体运动的起始相关信号在上述运动区之间存在显著差异，而同侧肢体运动的起始相关信号在各运动区之间的差异较弱或不存在。这一结果表明，运动起始相关信号在不同运动皮层区域中的组织方式依赖于运动的偏侧性（laterality），且同侧运动起始的控制可能依赖于更为分布式的皮层募集机制。

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一、研究背景与科学问题

额叶皮层包含多个运动相关区域，其中尾侧扣带运动区（caudal cingulate motor area, CMAc）位于额叶运动皮层最腹内侧和尾侧的部分，补充运动区（supplementary motor area, SMA）位于内侧壁相对靠尾侧的位置，紧邻M1的后肢代表区，而初级运动皮层（primary motor cortex, M1）则占据外侧表面最靠尾侧的部分。这三个区域之间相互连接，并且均向脊髓发出投射纤维。这些解剖学特征提示CMAc、SMA和M1在肢体运动控制中发挥重要作用。既往神经生理学研究已在单神经元水平证实这些区域存在运动相关活动，然而，这些区域的神经元活动如何在逐次试次水平上差异性地贡献于运动起始的时间调控，此前尚不清楚。特别是，跨这些运动区域对时间相关信号进行系统性比较的研究仍然缺乏。已有研究表明，运动皮层神经元的逐次试次活动可与反应时相关，提示运动皮层活动可能反映与运动起始相关的过程。基于这一背景，本研究聚焦于运动起始，系统比较了CMAc、SMA和M1三个区域中神经元活动与反应时之间的逐次试次关系。

此外，运动皮层活动通常对侧肢体运动更为强烈，这与皮质脊髓投射以对侧为主的解剖学组织一致，但也存在一部分皮质脊髓纤维投射至同侧脊髓。既往研究已表明，CMAc、SMA和M1中的神经元可表现出与同侧肢体运动相关的活动，提示运动系统内存在双侧表征。然而，这些区域如何系统地参与对侧和同侧运动的起始调控仍不清楚。为此，本研究通过分析三个区域中神经元活动与反应时之间的逐次试次相关性，系统比较了运动起始相关信号在不同运动皮层区域中随运动偏侧性变化的组织方式。

二、研究设计与主要结论

研究人员使用两只雄性日本猴（Macaca fuscata）执行按钮按压任务，要求猴子根据视觉Go信号用右手（对侧手）或左手（同侧手）按压按钮。研究人员从左侧半球的CMAc、SMA和M1前肢代表区记录了神经元活动，共采集了970个CMAc神经元、525个SMA神经元和200个M1神经元，其中891个CMAc、476个SMA和199个M1神经元表现出任务相关活动。研究人员通过计算Go信号后10–200 ms窗口内每个神经元的放电计数与反应时之间的Pearson相关系数，评估运动起始相关信号，并将神经元分为四类：对侧型（C型）、同侧型（I型）、双侧型（B型）和不相关型（U型）。

研究得出以下主要结论：选择性神经元（C型、I型和B型）的比例在三个区域间存在显著差异，M1最高（41%），SMA居中（32%），CMAc最低（21%）。对侧运动相关神经元（C型和B型）的比例在区域间差异显著，同样呈CMAc < SMA < M1的梯度；而同侧运动相关神经元（I型和B型）的比例在区域间差异较弱且不一致。在群体水平上，对侧运动的平均绝对相关系数在三个区域间存在显著差异，M1最高、SMA居中、CMAc最低；而同侧运动的区域差异很小（效应量ε2=0.006，接近零）。当分析仅限于选择性神经元时，对侧运动中M1的相关系数仍显著高于SMA和CMAc，但SMA与CMAc之间无显著差异；同侧运动的相关系数在三个区域间无显著差异。此外，在三个区域内，C型和B型神经元在对侧运动中的相关系数与I型和B型神经元在同侧运动中的相关系数无显著差异。这些结果表明，运动起始相关信号在区域间的差异主要体现于对侧运动，表现为M1中起始相关信号的增强以及各区域间神经元募集比例的差异；而同侧运动的起始相关信号在各区域间更为相似。

三、主要关键技术方法

本研究采用的主要技术方法包括：线性阵列多触点电极（24触点、150 μm间距）记录神经元活动；皮质内微刺激（intracortical microstimulation, ICMS）用于鉴定M1的躯体定位组织，以及结合磁共振成像（magnetic resonance imaging, MRI）验证记录位点；行为任务采用按钮按压范式，猴子按视觉或听觉Go信号指示用对侧或同侧手按压按钮；数据分析采用200 ms窗口的单因素方差分析（ANOVA）筛选任务相关神经元，以及150 ms滑动窗口（10 ms步长）计算放电计数与反应时之间的Pearson相关系数，并通过Bonferroni校正进行多重比较显著性检验。样本来源于两只雄性日本猴（Macaca fuscata）。

四、研究结果

3.1 按钮按压任务：两只猴子在行为任务中表现熟练，成功率超过94%。对侧（右）手运动的平均反应时为272 ± 30 ms，同侧（左）手运动的平均反应时为248 ± 25 ms，表明猴子能够熟练执行任务。

3.2 单神经元活动与反应时逐次试次相关的示例：研究展示了C型、I型、B型和U型神经元的代表性示例。C型神经元（记录于SMA）在对侧按压试次中放电计数与反应时显著相关（r = –0.60），但同侧按压试次不相关（r = –0.09）；I型神经元（记录于CMAc）在同侧按压试次中显著相关（r = –0.67），但对侧按压试次不相关（r = 0.39）；B型神经元（记录于CMAc）在对侧（r = –0.55）和同侧（r = –0.52）按压试次中均显著相关；U型神经元（记录于SMA）在两种试次中均不显著。

3.3 选择性神经元的比例：神经元类型比例在三个区域间差异显著（χ2(6) = 45.93，P < 0.001）。选择性神经元（C型、I型和B型）的比例在M1最高（41%）、SMA居中（32%）、CMAc最低（21%），两两比较均显著。对侧运动相关神经元（C型和B型）的比例在区域间差异显著（χ2(2) = 31.29, P < 0.001），呈CMAc < SMA < M1梯度；同侧运动相关神经元（I型和B型）的比例在区域间差异较弱（χ2(2) = 6.46, P = 0.040）。重采样分析（10,000次迭代）证实这些区域差异并非由样本量不均衡所致。

3.4 全部任务相关神经元的群体水平相关：CMAc神经元中，对侧和同侧运动的平均相关系数无显著差异（P = 0.870）；SMA中两者无显著差异（P = 0.087）；M1中对侧运动的平均相关系数显著高于同侧（P = 0.006）。对侧运动中，三个区域的平均相关系数存在显著差异（Kruskal–Wallis检验，P < 0.001），M1最高、SMA居中、CMAc最低；同侧运动中，区域差异虽显著（P = 0.003）但效应量极小（ε2 = 0.006），两两比较仅M1与CMAc间存在差异。

3.5 选择性神经元的群体水平相关：在对侧运动中，C型和B型神经元的相关系数显著高于I型神经元，且在Go信号后逐渐增加并在运动启动前达到峰值；在同侧运动中，I型和B型神经元的相关系数显著高于C型神经元。C型和B型神经元在对侧运动中的平均相关系数与I型和B型神经元在同侧运动中的平均相关系数在三个区域内均无显著差异。对侧运动中，C型和B型神经元的相关系数在区域间存在显著差异（P = 0.001），M1高于SMA和CMAc，SMA与CMAc间无差异；同侧运动中，I型和B型神经元的相关系数在区域间无显著差异（P = 0.324）。

五、讨论与结论

研究讨论指出，对侧运动起始相关信号在区域间的差异可能部分源于皮质脊髓投射的组织差异。皮质脊髓投射强烈偏向对侧脊髓，且密度在M1最高，其次为SMA和扣带运动区。此外，M1含有直接投射至对侧脊髓运动神经元的皮质运动神经元（corticomotoneuronal, CM）细胞，而CMAc和SMA中基本不存在此类细胞，这可能解释了M1在对侧运动中单神经元水平更强的起始相关信号。同侧皮质脊髓投射虽在区域间也存在解剖差异，但其绝对数量远少于对侧投射，这可能削弱了同侧运动中解剖差异在反应时相关皮层活动中的体现。

研究还讨论了运动起始的分布式回路机制。运动起始被认为源于皮层和皮层下系统（包括基底节和小脑）之间的相互作用。基底节在自主运动的门控和释放中发挥核心作用，小脑则参与运动起始的时间控制。CMAc、SMA和M1均嵌入基底节–丘脑–皮层回路和小脑–丘脑–皮层回路中，因此这些皮层区域的起始相关活动可能反映了分布式皮层下过程的皮层表达。

研究结论认为，运动起始相关信号在区域间的差异对于理解对侧和同侧运动起始的组织方式具有重要意义。同侧运动起始区域间差异较弱，提示同侧运动控制更依赖于分布式皮层募集。既往研究已表明M1神经元可参与同侧前肢运动，人类神经影像研究也显示单侧运动时双侧运动皮层区域被激活。本研究进一步表明，同侧运动起始相关活动在CMAc、SMA和M1等多个运动皮层区域中均有表征，这种分布式表征可能对脑损伤后的运动功能恢复具有功能意义，为分布式运动皮层网络提供功能重组的底物。