在电动行走期间的广域皮层活动与功能连接性

步行如何塑造大脑

我们的每一步都依赖感官与肌肉之间不断的对话。但科学家仍未完全弄清，当脚下环境发生变化时，大脑如何保持流畅运动。本研究在小鼠在不同类型移动表面上行走时，观察了大脑外表面的活动，发现大脑的通信模式——而不仅仅是总体活动水平——会随身体需要的运动方式而改变。

三种行走方式

为研究行走环境如何影响大脑，研究人员训练小鼠在头部被轻度固定的情况下行走。动物在三种电动装置上行走：平直的跑步机带、弯曲的跑轮以及围绕中心旋转的转盘。三者都要求小鼠跟随移动的表面，但每种设备对步态与平衡的要求不同。在小鼠行走时，颅骨上开有一块透明“窗口”，研究团队使用广域钙成像——一种能使活跃神经元发光的方法——实时监测几乎整个大脑顶部表面的活动。

将动作与内在指令分离

行走时的大脑原始信号是两类因素的混合：大脑自身的内在运动指令，以及由肢体运动、姿势变化和唤醒状态变化产生的感觉与身体信号。为了解开这两者，研究者使用高速相机和现代姿态跟踪软件记录了动物的后肢关节和瞳孔大小。随后他们采用一种称为偏最小二乘回归的统计方法，将这些可测量的身体变量对大脑活动的影响数学上剔除。剩下的信号——他们称为“内源驱动”活动——反映了超越肢体运动与瞳孔扩张直接回声之外的、大脑如何从内部组织运动的方式。

相似的总体活动，不同的对话模式

一个令人惊讶的发现是，在稳定行走期间，各主要脑区的平均内源活动水平相当相似，无论小鼠使用哪种装置。参与运动与感觉的区域，如初级与次级运动皮层以及躯体感觉皮层，在行走开始时都变得活跃，结束时则变得平静。然而，当团队观察这些区域如何共同波动——也就是它们的活动如何一同上升与下降时——情况发生了变化。皮层间“功能连接性”的模式强烈依赖于装置类型，即便总体活动水平并未显著不同。

运动计划枢纽的特殊角色

次级运动皮层（M2）被认为有助于将感觉信息转化为运动计划。在跑步机上的持续行走期间，M2 的内源连接性与皮层其它部分相比明显较弱。而在弯曲跑轮和旋转转盘上，动物需要不断调整姿势和轨迹时，M2 与视觉皮层、后扣带皮层等远端区域之间的联系更为紧密。相比之下，在更简单、直线的跑步机上，M2 连接性的降低表明，一旦达到稳定步态，它可能转入一种抑制或门控角色，在身体执行已熟练的模式时限制不必要的交流。

为何地面形状很重要

总体而言，这项研究表明，行走时大脑的内部通信网络会根据环境的物理需求进行调谐。像跑步机这样的线性轨道产生相对稳定的步态，减少对复杂协调的需求；而弯曲或旋转的轨道则促使运动、感觉与导航相关区域之间产生更丰富的相互作用。对研究运动障碍或康复的研究者与临床人员而言，这项工作强调并非所有步行任务都相同：理解健康与疾病不仅需要关注大脑的活动强度，还要关注在不同运动挑战下各脑区之间如何互相对话。

引用: Lee, C.H., Lee, G., Song, H. et al. Widefield cortical activity and functional connectivity during motorized locomotion. Commun Biol 9, 264 (2026). https://doi.org/10.1038/s42003-026-09541-x

关键词: 行走/运动, 运动皮层, 功能连接性, 感觉-运动整合, 广域成像