大脑在肌肉自主运动的调控机制

近日，香港中文大学（简称“港中大”）医学院最新研究揭示了人类大脑如何控制肌肉产生自主运动。研究团队通过研究接受清醒开颅手术的病人，发现大脑将每条肌肉整合成组件，以协调及控制多组肌肉同步运作。相关研究在《美国国家科学院院刊》发表。 该研究有望为未来的脑机接口技术带来突破性启示，有助提升神经外科手术的精准度。 即使是步行或拿起水杯等简单动作，大脑也需要同时控制及协调多组肌肉活动。数十年来，神经科学家一直探讨中枢神经系统如何指令身体执行高复杂性的肌肉操作，究竟直接控制每条肌肉，还是将肌肉以组合方式控制，又称为“肌肉协同”。 由港中大脑神经科学家与神经外科医生组成的研究团队，分析了13名接受清醒开颅手术切除胶质瘤病人的数据，研究大脑在运动时协调肌群的机制。手术期间，病人保持清醒，神经外科医生对掌控自主与意识运动相关的初级运动皮层施加温和的微弱电刺激。研究团队利用肌电图实时收集并分析病人在术前及术中执行上肢自主动作时的肌肉反应数据。 研究结果显示，术前肌肉自主运动与术中受电激诱发的肌肉运动具有相同的肌肉协同模式，吻合度达69%。研究第一作者、港中大医学院博士后研究员谢靖萍表示：“研究证实，初级运动皮层是通过‘肌肉协同’来控制多组肌肉运动。” 港中大医学院副教授张智钧补充道：“脑机接口是一种新兴医疗技术，把电极植入瘫痪病人的运动皮层，记录病人有意识的四肢活动所发出的脑神经信号，再把信号解码及转化，以驱动辅助病人沟通或行动的装置。由于M1是一个主要的电极植入位置，该研究成果将有助开发更精准及有效的脑机接口系统，为有行动障碍的人士提升活动能力，并为相关电极植入策略提供重要科学依据。此外，也有望为未来运动康复治疗方案的设计与提升带来新启示。” 团队进一步利用神经影像进行分析，发现人类运动皮层或可再细分为两个不同功能区域，各自具有不同的肌肉组织及协同模式。 研究团队借助神经外科电刺激监测平台，在常规术中脑功能定位期间，实时监测及记录多个肌群的活动。该研究提示，神经外科医生在清醒开颅手术切除肿瘤前，须先施加电刺激，以定位与运动功能相关的重要脑区。若刺激特定位点能诱发明显的肌肉反应，显示该区域具有重要运动功能，施行手术时应予以保护，以尽量减低术后偏瘫或运动功能受损等风险。 港中大医学院外科学系名誉临床副教授胡日表示：“这项程序能让神经外科医生更精确地进行脑部定位，进一步减低术后的神经功能损伤。通过了解运动皮层真正的运作机制，我们可以更有效地把基础神经科学转化并应用于日常临床应用。” 张智钧表示：“我们希望通过该研究，展示神经外科医生与神经科学家如何携手合作，解答有关人类大脑的重要基础科学问题，并最终把研究成果转化为实际应用，惠及病人。”