小脑并非我们所想的那样

编译 莫庄非

长期以来，科学家多认为小脑仅仅是运动调节中枢，可现在，他们觉得它还有更多功能。

曾有一名22岁的女大学生不慎滑倒，头部遭受撞击。被送入医院时，医生给她做了一次CT扫描，结果意外发现她的小脑内有一个拳头大小的肿瘤。在成功清除肿瘤后，这位女生开始出现反常行为：情绪低落，举止怪异（例如在医院走廊里脱衣服），说话语速快，音调高，含混不清，在进行基本的算术、绘画、阅读和写作时也甚感吃力。尽管手术结束后几周情况略有改善，但要知道她足足花了两年时间才通过一所大专的补习课程，而且20多年后的现在，她的决策能力依然弱于常人。

这个不寻常的病例首现于20世纪90年代，它违背了存在了一个多世纪的传统认知：小脑的功能仅限于协调运动。

当我们想象人脑时，映入大多数人脑海的是由细胞薄层覆盖着皱褶的棒球手套状的肿块——大脑皮质，而小脑位于皮质的“后座”处，且在许多神经科学家眼里都是无所作为轻如鸿毛般的存在，以致神经影像学研究系统的常规操作都忽略掉它的影像，或者当研究者们出于各种研究目的而要移取动物的脑时，都会习惯砍掉小脑结构并丢弃。美国爱荷华大学的神经科学家克里斯托·帕克（Krystal Parker）表示：“这个领域长期以来都是这样对待小脑的。”

然而，随着越来越多的证据表明小脑对认知、情感和社交行为有很大影响，故事才慢慢有了转机。最关键的是，有研究表明小脑可能与自闭症、精神分裂症以及其他脑部疾病有着至关重要的联系。目前，研究人员正在探索老鼠和人类的脑，试图找出串联小脑与神经系统疾病的线索。

华盛顿美利坚大学（AU）的神经科学家凯瑟琳·斯特劳蒂（Catherine Stoodley）表示：“小脑相关研究在过去几年呈爆炸性增长，这非常令人兴奋。”斯特劳蒂曾于2019年作为共同作者在《神经科学年鉴》（AnnualReviewofNeuroscience）上发表论文。

乍一看，小脑看起来像一个皱巴巴、长得过大的核桃壳；如果仔细观察，会发现它两个半球表面的皱褶很深，并分裂成形似珊瑚的分支网络；倘若通过显微镜盯着瞧，还可以看到密密麻麻的细胞均匀分布。小脑质量仅为大脑质量的10%，但神经元数量比后者的一半还多，在表面积上甚至很接近后者——如果铺开来，小脑的表面积将接近大脑皮质表面积的80%。

人类关于小脑的最早期的实验距今已有数百年历史，不过并无出彩之处，科学家们只是从活体动物身上取下小脑，再观察它们的行为。例如，19世纪的法国生理学家皮埃尔·弗卢龙（Marie-Jean-Pierre Flourens）给鸽子做了小脑切除术，之后发现并报告了它们“开始摇摇晃晃，好像喝醉了一样”的情况。这些发现促使他提出——小脑结构对于运动协调是必要的。后来研究者对小脑损伤患者的临床观察证实了弗卢龙的推测，也就此奠定了小脑近两个世纪的 “运动协调结构”的地位。

不过自20世纪80年代起，以亨丽埃塔·莱纳（Henrietta Leiner）为首的一部分科学家开始挑战该理论。莱纳最初接受的是数学、物理学和计算机科学方面的训练，但后来对神经解剖学产生了兴趣。她对“为什么小脑与大脑皮层之间会有粗大的神经纤维连接”这个问题十分着迷；莱纳的另一个疑问就是为什么人类相比其他动物，小脑的进化水平高得多。（有专家估计人类小脑的平均大小是灵长类动物的2.8倍。）如果只是为了协调运动，人类的小脑何须如此发达？1986年，莱纳和她的丈夫——计算机科学家艾伦·莱纳（Alan Leiner），以及神经病学家罗伯特·道（Robert Dow）共同提出了一个激进的假设：人类的小脑会负责部分核心思维能力，例如计划行动的能力。

当时在波士顿市医院任职的神经病学专家杰里米·施马赫曼（Jeremy Schmahmann）也对小脑产生了浓厚的兴趣。他的兴趣源于新出现的证据，即曾经被认为仅参与运动控制的基底核（又称基底神经节，位于大脑深部的髓质，与大脑皮质相连）也有助于认知，这令施马赫曼猜测小脑是否同样如此。

为了解决这个问题，施马赫曼在哈佛医学院图书馆的书架上进行了他所谓的“考古挖掘”。在那儿，他发现了可以追溯到17世纪的手稿，它们记载了小脑损伤患者出现认知、社交和情感障碍的实例——以及极少数天生就没有小脑的病例。施马赫曼说道：“有些反主流文化现象可以追溯到被我们完全忽略了的开始阶段。”施马赫曼是马萨诸塞州总医院的神经病学家，与斯特劳蒂合著了前文提及的刊载于《神经科学年鉴》的综述文章。

在图书馆里的“考古挖掘”说服了施马赫曼去开展进一步调查。他与自己的顾问、神经解剖学家迪帕克·潘迪亚（Deepak Pandya）通过针对猴子的实验发现：小脑通过脑干接收来自大脑皮层部分区域（与语言、注意力和记忆相关）的输入信号。施马赫曼说道：“这完全违背科学常识。反对我们新主张的传统派人多势众，可只要给出有说服力的数据，大多数反对方都会改变老观点。”

与施马赫曼的研究同时段开展的，还有来自匹兹堡大学的神经生物学家彼得·斯特里克（Peter Strick）领导的另一个小组的“反向传输”工作。他们追踪了从小脑到大脑区域的连接。这种双向通信证明小脑的作用远不止于协调运动。

随后的临床观察和神经影像学研究进一步证实了这一观点。

20世纪90年代后期，施马赫曼报告了关于小脑认知情感综合征（CCAS）的第一个描述。他在研究过程中观察到那些小脑受损者（包括小脑衰退、中风或感染，以及经历过小脑肿瘤切除等）会表现出各种各样的认知和行为障碍（其中包括抽象推理和计划方面的困难）、人格变化（例如一些小脑长瘤的大学生存在情绪表达障碍和行为失当等问题）以及语言问题。一些病人在几个月后康复；另一部分人的症状则持续多年。这些情况进一步证明了小脑确实参与了多种认知过程，而CCAS后来又被人称为“施马赫曼综合征”。

极个别天生缺少部分小脑的病例所表现的症状也提示了小脑可能具备更广泛的功能——除了身体协调性受损，他们还表现出诸如强迫症或难以理解社交信息等自闭症特征，这些都属于施马赫曼综合征的范畴。

在另一项有影响力的研究中，哈佛大学的神经科学家兰迪·巴克纳（Randy Buckner）和同事描绘了人类大脑皮层与小脑间的通讯情况。研究团队通过功能性磁共振成像（fMRI）扫描健康人的脑，结果发现他们小脑大部分区域的活动与大脑皮层负责认知功能的区域（而不是运动相关的区域）的活动是同步的。马萨诸塞州麦克莱恩医院的精神病医生安·西恩（Ann Shinn）表示：“该论文令人难以置信，因为它表明小脑的主要功能并非负责运动。”

这些研究日益表明，小脑具有许多作用。但是仍有一个大问题需要解决：它的整体功能到底是什么？

一些科学家基于小脑中高度组织化的网格状细胞结构，提出了小脑可以执行单次计算的想法。不过，究竟哪种计算可以解释小脑对运动、认知和情感的参与过程仍是一个悬而未决的问题。

考虑到小脑的多种功能，一些科学家推测它可能与几种脑部疾病有关，其中关于自闭症和精神分裂症与小脑存在联系的证据最充足。

小脑异常是自闭症患者最常见的神经解剖学特点。医生们观察到，如果儿童在出生时遭遇小脑损伤，那么他罹患自闭症的风险就会大大增加。近期的研究还表明，小脑可能会对发育产生巨大影响，如果它的早期发育不正常，自闭症很可能随之而来。

美国普林斯顿大学的神经科学家王声宏（Sam Wang）和他的团队曾使用化学遗传学的方法通过向大脑注入工程化分子以操纵特定神经回路）灭活处于发育期的小鼠的小脑，结果发现小鼠表现出了类似人类自闭症的行为模式——它们变得更愿意去面对无生命物体而非有血有肉的同类，也更难以应付新任务。然而，当他们把相同操作用在成年小鼠身上时，并未观察到相同情况。

另有研究人员发现，针对小脑的特定刺激有可能产生正面作用。斯特劳蒂和她的同事证明，用化学遗传学方法刺激小脑可以逆转表现出自闭症特点的模式小鼠的社交缺陷。她的实验室目前正在尝试通过靶向小脑的“经颅直流电刺激”（tDCS，通过放置于头部的电极调节大脑活动）来改善自闭症患者和“没有神经发育”/智能障碍的自闭症人群的社交能力。

小脑可能与精神分裂症有关的说法已经存在了数十年，但直到最近，我们才得到了一些实验证据。2019年，施马赫曼所在的研究团队通过对小脑施加“经颅磁刺激”（TMS，借助磁体使大脑内部产生电流），成功缓解了精神分裂症患者的症状，包括快乐感缺失和动力缺失。如果TMS治疗最终被证明确实有效，那么长期的治疗需求就将得到满足。抗精神病药可以有效减轻精神分裂症的阳性症状，例如幻觉和妄想，但针对阴性症状的疗法仍难见端倪。

参与该试验的哈佛医学院贝丝以色列女执事医疗中心的精神病医生罗斯科·布雷迪（Roscoe Brady）表示：“在让TMS真正成为一种自闭症疗法前，我们需要做很多事情。”另外他也指出，TMS疗法是他所知道的所有已发表研究中最有希望的选择之一。

布雷迪和他的同事目前正在针对更多研究对象开展后续研究。他们也正在探究针对小脑的刺激减轻自闭症状的机制。爱荷华大学的帕克等人还在测试小脑TMS是否有助于改善精神分裂症、躁郁症、抑郁症和帕金森病等疾病患者的情绪和认知能力。帕克表示，在许多情况下，病人在任务记忆、注意力和计划能力方面的缺陷非常相似。她希望能将小脑与每种疾病间的关联单独分析，进而研得新疗法。

围绕小脑展开的精神疾病治疗是否确有疗效且普遍适用仍有待观察。然而，小脑的功能显然不可再被忽视了，它在整个脑中的作用以及对脑功能的贡献可能比过去科学家们所认为的要大得多。

资料来源TheAtlantic