快速肢体运动的大脑皮层下感觉-动作控制研究

【作者】 曹扬； 王树明；

【机构】 华东师范大学； The University of Queensland,School of Human Movement and Nutrition Sciences；

【摘要】 动作技能的学习与控制是一门结合心理学、脑认知科学、运动解剖学、生物力学等为一体的学科,随着实验心理学的兴起,世界前沿的动作技能控制研究一直借助各种探测肌肉、关节运动及脑认知活动的方法和技术对人类动作行为进行探究,尽管多年来研究技术和手段的进步惊人,但由于人类生理及认知活动的异常复杂,很多古老研究主题仍属于热点问题,并无定论,如视觉-动作反馈通路、动作程序的存储等。快速接触动作是动作控制研究中一类典型动作,中央控制理论认为利用感觉信息对目标物进行准确地指向、接触、捕获或抓握这些动作完全由大脑皮层控制。然而近年来,一系列关于上肢快速接触视觉刺激物的研究发现存在一种极其快速的肌肉活动,发生时间与视觉刺激物出现的时间相锁定(稳定地发生于刺激物出现后80-120ms),与实际产生接触动作的肌肉活动相分离,这一快速的肌肉反应是由目标物的出现而非启动动作引起的。因此,研究者为这一特殊的快速肌肉反应命名为刺激锁定反应(stimulus-locked responses,SLRs)并将其作为检测快速感觉-动作转化的指标。目前大量研究实证指向参与快速视觉动作转化并产生视觉刺激出现后大约80-120ms时间锁定反应是由上丘(Superior Colliculus,SC)负责转化的大脑皮层下视觉信息处理通路控制。上丘这一结构功能类似于低等脊椎动物的顶盖,视觉信息从视网膜传递到顶盖然后将动作指令直接发送到运动神经元,由此产生青蛙用舌头迅速捕食苍蝇等行为。与此类似的快速的接触或抓握运动在人类的日常生活中也十分关键,但是人类的瞄准系统更加复杂、适应性更强。因此研究者认为人类同样拥有系统发育史上较古老的系统:以上丘为代表的大脑皮层下系统,在某种程度上十分类似于低脊椎动物的视觉顶盖,被称为感觉-运动转化的主要介导节点。即使在没有来自大脑皮层指令的情况下,这种古老的大脑皮层下系统也能对人类的快速肢体动作进行控制。参与由感觉引起的肢体动作的大脑皮层下结构有外侧膝状体、上丘、脑干、中脑网状结构。其中上丘是控制肢体动作最重要的大脑皮层下结构。上丘是层状的中脑结构,一般参与眼动、空间定位、注意、产生指向新颖视觉、听觉刺激的运动。上丘的一个关键特征是视觉、听觉、本体感觉传入信息在这里相互融合,使得中间层及深层神经细胞得以完成感觉动作信息转化。正因上丘是各类感觉信息的交汇处,而针对灵长类动物的上丘对声音定位功能的研究尚且不少,本研究基于听觉定位的神经基础以及快速的视觉-动作转化环路实证,通过刺激锁定反应这一肌肉生理指标,探究突发的听觉刺激物是否能引起快速的感觉-动作转化,为大脑皮层下感觉-动作转化环路提供更多证据,为哺乳动作上丘的听觉定位功能做出一定解释,以期为大脑皮层感觉区受损病人的临床诊断与康复提供些许思路。本文采用实验研究方法,通过释放不同特质的听觉信号来验证突发的听觉刺激物是否能引起刺激锁定反应,并对比相似范式的视觉刺激组,比较各种刺激条件下刺激锁定反应(SLRs)的出现频率、反应时及幅度,来探究是否声音信息能引起大脑皮层下系统的感觉-动作快速转化,并对比大脑皮层下系统对听觉、视觉信息的定位功能。研究得到以下结论:(1)听觉信息可以引起快速的感觉-动作转化从而产生肌肉的刺激锁定反应,研究结果为大脑皮层下系统快速感觉-动作控制通路增加实证;(2)包含更多空间信息的白噪音及枪声相比与纯音更能激活上丘的听觉神经元,从而更大程度地引发感觉-动作转化的肌肉活动;(3)相比与视觉刺激,白噪音能更加快速地启动感觉-动作转化过程,但产生的肌肉活动强度不及视觉刺激。相比枪声,白噪音产生感觉-动作转化的概率更高,在启动时间和肌肉活跃度两方面略胜一筹,但并没有显著差异;(4)该实验结果为未来选择听觉刺激作为实验材料的相关研究提供参考,白噪音相对来说更有利于产生指向某一空间位置的定位动作,如接触、瞄准、抓握。更多还原