《Human Brain Mapping》：In Humans, fMRI Reveals That Striosome-Like and Matrix-Like Striatal Voxels Are Engaged in Different Phases of Movement
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本综述基于人脑功能磁共振成像（fMRI）证据，首次在活体人类中直接证明了纹状体内部“纹状体小体”（striosome）与“基质”（matrix）两个神经化学分区在功能上的时间性分离。研究发现，在运动任务中，纹状体小体样（striosome-like）体素在提示（cue）阶段被优先激活，参与预期评估；而基质样（matrix-like）体素则在动作执行阶段主导激活，负责自动化运动的执行。这一发现为理解基底节（basal ganglia）微环路在动机行为、运动规划与执行中的作用提供了新视角，并对帕金森病（Parkinson disease）、亨廷顿病（Huntington disease）、强迫症（OCD）等神经精神与运动障碍的病理机制研究具有重要启示。
引言
基底节（basal ganglia）是皮层下的互连核团簇，传统上被认为参与运动控制，现在也被认为在执行、情感、学习和奖赏任务中参与技能获取和动作选择。其功能障碍不仅与帕金森病、亨廷顿病、肌张力障碍和运动障碍等运动障碍有关，也与强迫症（OCD）、图雷特综合征（TS）、成瘾和抑郁等一系列神经精神和认知障碍有关。
纹状体（striatum）是基底节的主要输入核团，其主神经元被组织成两个神经化学区室：纹状体小体（striosome）和基质（matrix）。这两个区室在胚胎起源、组织化学标志物以及传入和传出连接性上均不相同。纹状体小体区域主要接受来自边缘皮层的输入，而基质区域则优先受感觉运动和联合皮层支配。两者都接收多巴胺能投射，但它们与中脑结构的连接及其神经调节反应不同，表明它们的功能角色存在部分特化。
尽管大量的动物研究已经阐明了这两个区室对奖赏、学习和运动控制的特异性贡献，但在人类中区室功能特化的直接证据仍然缺乏。本研究利用基于结构连接性（扩散）的连通性偏置，将人脑纹状体体素定义为“纹状体小体样”（striosome-like）或“基质样”（matrix-like），然后使用基于任务的功能磁共振成像（tfMRI）研究这些区室样体素在运动前提示阶段和五种运动条件（左手、右手、左脚、右脚和舌部运动）下的功能激活模式。
材料与方法
本研究是对人类连接组计划（HCP）S1200版本数据的二次分析，最终队列包括701名健康成年人。研究结合结构和功能连接性来调查人类在执行运动任务期间纹状体区室的特异性激活。首先，利用基于连通性的分区（基于扩散张量成像（DTI）的概率性纤维束追踪）来识别在结构连接性上具有纹状体小体样或基质样偏置的纹状体体素。这些基于连通性的分区重现了组织学研究中观察到的纹状体小体和基质的关键解剖学特征。
接着，以这些区室样纹状体掩模为种子区域，在基于任务的功能磁共振成像（tfMRI）设计中检查其功能激活。使用一般线性模型（GLM）对每个运动任务条件（手、脚或舌部运动）进行建模。提取对比参数估计值（COPEs），并计算纹状体小体样和基质样掩模内的平均激活值。为了评估运动过程中区室特异性激活的时间动态，将每个12秒的运动任务试次划分为起始（Initiation， 0-4 s）、平台（Plateau， 4-8 s）和终止（Termination， 8-12 s）三个阶段，并计算了阶段间的激活斜率。
结果
1. 纹状体小体样与基质样体素的空间分布验证
MRI分区体素在空间分布上重现了已知的组织学特征。基质样体素在尾状核中更靠外侧、尾侧和背侧，在壳核中更靠尾侧和背侧。在体积比例上，当偏置概率阈值设置为p≥0.7时，纹状体小体样体素约占17.5%，基质样体素占82.5%，接近组织学估计的15:85比例。此外，纹状体小体样体素倾向于出现在较小、分散的簇中，而基质样体素则占据更大、更连续的簇，这与组织学观察结果一致。
2. 任务特异性激活在区室样体素中存在差异
功能激活表现出明显的区室间分离：在提示（cue）阶段，纹状体小体样体素的激活显著高于基质样体素。相反，在所有五种运动执行阶段，基质样体素的激活均显著高于纹状体小体样体素。特别是对于舌部运动，纹状体小体样体素甚至表现出低于基线的激活。这种模式与纹状体小体参与预期评估、基质负责执行自动化程序的假设一致。
3. 精确体素位置对区室分化的影响
通过随机微移（jitter）体素位置的对照实验发现，微移纹状体小体样体素的位置会显著降低其在提示和多种运动任务中的功能激活，而微移基质样体素位置则未引起显著变化。这表明纹状体小体样的功能效应高度依赖于精确的体素选择，而非简单的“区域邻居”效应，强调了连接性偏置的特异性。
4. 纹状体激活的半球差异
在提示阶段，左侧半球激活总体强于右侧。在运动执行阶段，手部和脚部运动均表现出对侧半球激活主导的模式。舌部运动则引发双侧对称的激活。进一步分析发现，基质样体素中的对侧优势效应比纹状体小体样体素更强，表明基质在运动执行中的偏侧化组织更为明显。在仅包含左利手参与者的分析中，未观察到侧化模式的逆转。
5. 运动不同阶段的区室特异性调制
将运动执行期分为起始、平台和终止三个阶段进行分析发现，在起始阶段，两个区室的激活水平相似。然而，在平台期到终止期的过渡中，激活轨迹出现分歧：基质样体素的激活平缓下降，并在终止期保持正值；而纹状体小体样体素的激活则急剧下降，在终止期降至基线以下。激活斜率分析显示，从平台期到终止期，纹状体小体样体素的失活斜率（-4.0 AU/s）显著陡于基质样体素（-1.5 AU/s）。这表明纹状体小体可能在行为转换（如运动终止）中扮演特殊角色，而基质则更持续地参与运动执行。
讨论
本研究首次在活体人类中，利用任务态fMRI提供了纹状体小体与基质区室在时间和功能上存在不同动态的证据。研究发现纹状体小体样体素在运动预期阶段优势激活，而基质样体素在运动执行阶段优势激活，并且在运动终止时纹状体小体样激活急剧回落，这与动物研究中提出的纹状体小体参与评估、行为转换，基质负责感觉运动整合和习惯性动作执行的理论框架相符。
这些发现对于理解基底节微环路在动机行为、运动规划与执行中的机制具有重要意义。区室间失衡可能与多种神经精神及运动障碍的病理生理学有关，例如亨廷顿病中纹状体小体的选择性退化，以及强迫症、肌张力障碍、抽动障碍中可能存在的区室信号失调。本研究建立的in vivo区室映射方法，为未来在患者群体中探究这些疾病的微环路特异性异常提供了新的途径。
当然，本研究也存在一些局限，例如基于连接性的分区是一种间接推断方法，空间分辨率限制了对于精细区室结构的完全解析，以及运动任务阶段划分的人为性等。未来的研究需要更高分辨率的成像技术、更精细的实验设计，并在临床人群中进行验证，以进一步阐明纹状体区室在健康和疾病状态下的具体功能角色。
