《NeuroImage》：Functional and structural connectivity between the cerebellum and the cortical mirror neuron system: evidence from fMRI and DTI probabilistic tractography
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本研究为解决小脑-丘脑-皮层通路在动作观察与执行中是否存在功能与结构分离这一科学问题，通过fMRI任务与DTI概率纤维追踪技术，揭示了从背侧与腹侧齿状核（DN）出发，分别经由不同丘脑核团（VA-VL vs. VPL）投射至皮层镜像神经系统（MNS）区域的两条部分分离的通道，为小脑在动作理解和运动模拟中的关键作用提供了直接证据，拓展了我们对感知-运动整合环路机制的理解。
当你观看别人拿起一杯咖啡时，你的大脑并非仅是“看”而已，它可能正在悄悄地模拟这个动作。这种无需亲自动手就能“感同身受”的能力，很大程度上归功于大脑中的“镜像神经元系统”（Mirror Neuron System， MNS）。长期以来，研究认为这个系统的核心位于大脑皮层，特别是腹侧前运动皮层（ventral premotor cortex， PMv）和下顶叶（inferior parietal lobule， IPL）。然而，近年来越来越多的证据表明，动作观察和执行不仅激活了皮层区域，还涉及了小脑、丘脑等皮层下结构。小脑以其卓越的运动协调和预测功能而闻名，它是否也参与了这种“镜像”过程？如果参与了，小脑与经典的皮层MNS之间又是如何连接的？它们是同一套网络的一部分，还是存在功能与结构上的分工？这些问题构成了认知神经科学领域一个引人入胜的前沿课题。
为了回答这些问题，由Antonino Errante、Eleonora Sicuri、Cristina Russo、Giuseppe Ciullo、Alessandro Piras、Marzio Gerbella和Leonardo Fogassi组成的研究团队进行了一项综合性研究。他们招募了16名健康参与者，利用功能磁共振成像（functional Magnetic Resonance Imaging， fMRI）和弥散张量成像（Diffusion Tensor Imaging， DTI）技术，系统探究了小脑与皮层MNS之间的功能与结构连接。研究结果揭示了小脑-丘脑-皮层通路在动作观察与执行中存在部分但明确的分离，有力地支持了小脑在运动模拟中的关键作用。这项重要的研究成果已发表在专业期刊《NeuroImage》上。
为了开展这项研究，研究人员主要运用了以下几个关键技术方法：首先，设计了包含动作观察（观看抓握物体的视频）和动作执行（实际抓握一个球体或做简单的手部开合动作）两种任务的fMRI实验范式，并设置了相应的静态图像或简单运动作为对照。其次，利用fMRI数据分析，通过对比“执行抓握”与“静息”状态识别纯运动网络，通过“执行抓握”与“观察抓握”的联合分析（conjunction analysis）识别视-动（visuo-motor）共享网络。再次，对14名参与者的DTI数据进行了概率纤维追踪（probabilistic tractography），以描绘从不同小脑齿状核（dentate nucleus， DN）区域出发，经丘脑中继，最终到达皮层MNS区域（如PMv和IPL）的白质纤维通路。最后，基于解剖学定义的感兴趣区（Region of Interest， ROI），采用广义心理生理交互（generalized Psychophysiological Interaction， gPPI）分析，探究了在动作执行和视-动共享任务条件下，小脑、丘脑与皮层MNS节点之间的有效连接（effective connectivity）模式。
3. 结果
3.1. 单变量分析结果
通过fMRI单变量分析，研究发现：在执行抓握动作（Exe Grasp > Rest）时，大脑激活了一个广泛的额顶叶网络，包括初级感觉运动区、腹侧和背侧前运动皮层、辅助运动区、下顶叶以及前额叶等区域。同时，小脑的V、VI、VIIIa、VIIIb小叶以及右侧为主的齿状核（dorsal DN）被显著激活，丘脑的激活则集中在腹前核/腹外侧核（ventral anterior/ventrolateral thalamic nuclei， VA-VL）。而在动作观察与执行的联合分析中，激活区域更为集中，主要涉及PMv、背侧前运动皮层（PMd）、下顶叶（IPL PFcm）等典型的MNS皮层区域。小脑层面，联合分析主要激活了小脑VI叶和Crus I，齿状核的激活则集中在腹侧区域（ventral DN），丘脑的激活则位于腹后外侧核（ventroposterolateral thalamic nucleus， VPL）。
3.2. ROI分析结果
针对目标导向抓握与简单手部运动的比较，研究者对预先定义的13个运动相关ROI进行了分析。线性混合效应模型显示，在所有ROI中，“执行抓握”条件引起的血氧水平依赖（Blood Oxygenation Level Dependent， BOLD）信号整体上显著高于“执行简单运动”条件，表明目标导向的抓握动作能引发更强的整体神经反应。
3.3. DTI结果
概率纤维追踪结果显示，存在两条部分分离的解剖通路：一条运动通路起始于背侧DN，经红核（red nucleus， RN）和VA-VL丘脑核，终止于PMv的腹侧部分和IPL的吻侧（前部）部分；另一条视-动通路起始于腹侧DN，经RN和VPL丘脑核，终止于PMv的更背侧部分和IPL的更尾侧（后部）部分。
3.4. 有效连接结果
有效连接分析进一步证实了这两条通路在功能上的分离。在执行抓握任务中，右侧DN与对侧RN及VA-VL丘脑核之间的连接增强，同时VA-VL丘脑核与同侧PMv和IPL PFt之间的连接也增强。而在表征视-动共享的任务（联合分析条件）中，右侧DN与对侧RN及VPL丘脑核之间的连接显著增强，且RN与VPL之间也存在强连接，这两个核团又同时与同侧的PMv和IPL PFcm区域功能耦合增强。
4. 讨论与结论
本研究通过多模态脑成像技术，清晰描绘了小脑如何与皮层MNS互动以支持动作理解与执行。核心结论是：小脑并非动作观察-执行共享网络的被动参与者，而是通过两条部分分离的、组织有序的小脑-丘脑-皮层通路主动贡献其中。
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功能与结构分离：研究首次在人类身上系统证实，小脑齿状核存在功能地形图（functional topography）。背侧DN及其下游的VA-VL丘脑通路主要构成“运动执行网络”，专注于在线运动控制和精细调节。而腹侧DN及其下游的VPL丘脑通路则构成了“视-动处理网络”，该网络在动作观察和执行时均被激活，负责动作的内部模拟和预测建模。
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小脑在MNS中的角色：这些发现将小脑定位为MNS的关键节点。在观察他人动作时，腹侧DN通路可能扮演“逆模型（inverse model）”的角色，将感觉输入转化为潜在的运动指令；而在执行动作时，小脑（特别是背侧DN）则作为“前向模型（forward model）”，预测动作的感觉后果。红核（RN）在此过程中扮演了整合小脑输出与丘脑-皮层信息的关键中继角色。
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研究意义：这项工作极大地拓展了我们对感知-运动整合环路机制的理解，将经典的皮层中心MNS模型升级为一个包含小脑和皮层下结构的、更复杂的分布式网络模型。这不仅为理解动作理解、模仿学习和社会认知的神经基础提供了新见解，也为临床康复（例如，针对初级运动皮层受损但MNS和小脑完好的患者，利用动作观察疗法）提供了新的理论依据和潜在靶点。未来研究需要借助动态因果模型（Dynamic Causal Modelling， DCM）等方向性连接分析方法，进一步阐明这些环路中信息流动的因果方向与性质（兴奋或抑制）。
