遇到风沙要闭眼，碰到危险就躲闪……当动物遭遇外界侵害时，会本能地逃离或防备，趋利避害，以更好地应对外界环境。
那么，感受到外界信息后，大脑如何通过运动相关神经元控制我们的肌体采取行动？这个无法绕开又令人困惑的重要疑问由我国科学家找到了部分答案。
日前，《美国科学院院刊》发表了中科院昆明动物所研究员胡新天实验室的最新研究成果《运动命令在单个运动前神经元的表达》。这一发现表明，每个运动命令在单个神经元上得到了高度精确的表达，这是世界首次对这一基本问题进行探讨。
什么是运动控制研究？为什么把眼睛作为运动控制研究的突破口？神经元究竟怎样传达大脑的指令？这一发现能给机器人设计、医学应用带来怎样的惊喜？近日，胡新天接受了本报专访，为记者一一解答了这些疑问。
为什么说眼睛也是重要的运动器官？
如果把脑看成一个信息处理系统，那么感觉是它的输入，而运动是它的输出。
作为输入端的耳、鼻、皮肤、眼睛就如同一个个信息搜集器，负责采样，把这些信息传递给大脑。例如眼睛的视网膜就是个感受器，如同探头，把光信息转化成电信息传递给大脑。另一方面，作为大脑输出的运动系统发出命令到手、脚、脖子这些器官，它们根据命令采取相应行动，即我们所看到的动物适应性行为。
不过，据胡新天介绍，在运动研究方面，国内开展的还很少。
“把眼睛看成输入端很容易理解，但人们往往忽视它也是大脑的输出端，也会做大量运动，其中最为常见的是一种称为快速扫视的眼睛转动。”所谓输入就是指射入眼睛的光线经视网膜转换后进入大脑，而输出就是眼睛按照大脑的命令进行运动。胡新天告诉记者，眼睛每天要做约20万次的快速扫视。
为什么选择猕猴的眼动系统做研究模型？
胡新天的实验室主要以猕猴眼动系统为模型，研究大脑的运动控制机理。为什么单单选择眼睛作为运动研究的突破口？
原因一：研究眼睛不如手、脚等其它器官那么复杂
据胡新天介绍，在我国，运动研究相对于感觉研究还有很大距离，因为研究手、脚等器官运动存在诸多技术难点。例如，手、脚有很多关节和肌肉，相应的控制机制就很复杂。另外，它们控制通路的一部分在脊髓内，目前的技术手段很难观测到这部分神经元的活动。这些困难限制了研究的深入，而眼睛运动相对简单，可以看作是绕眼眶内一个固定点的转动，便于测量。同时，眼睛运动的整个控制回路都在脑内，便于观察记录。
原因二、眼睛的控制回路已经清楚明了
上个世纪60年代，美国科学家戴维·罗宾逊（DavidRobinson）发明了一种眼动测量仪，这使眼睛运动变成一种可以精确测量的行为。眼睛运动的速度、方向和幅度等指标都可以精确量化。该项成果使研究控制眼睛行为的回路有了定量化的基础。此外，眼睛控制的回路都在脑内，可以边观察眼动边记录控制神经元的活动。
胡新天概括地说，猕猴的眼睛运动控制系统具有负荷恒定（因为眼睛的重量在一定时间内是基本恒定的），行为简单（三维转动，易于精确测量），控制回路神经元容易记录以及它的控制中枢包括了低位脑干和高级皮层的特点，这使得它成为脑功能研究中一个不可多得的系统。
“到目前为止，在运动研究中，能够被测量的最精确的行为就是眼动。眼动控制系统是目前运动控制研究中最为深入的领域，它的低位脑干控制回路已基本清楚。”胡新天说。
单个神经元究竟以何种方式表现大脑的命令？
众所周知，我们每一个动作都是脑内与运动相关神经元活动的结果，这些成千上万神经元活动的总和就是运动系统发出的运动命令。神经元是一种高度特化的细胞，是神经系统的基本结构和功能单位，它的功能是接受、整合和传递信息，具有兴奋性、传导性和可塑性。
那么，大脑产生的每一条运动命令在运动通路的单个神经元上以何种方式表现？去年，胡新天和他的实验室用一种全新的分析方法对这个问题进行了定量研究。
眼睛由六条肌肉控制，这些肌肉又由很多运动神经元控制，粗略的说，每条肌肉大约由20万个运动神经元控制。这些运动神经元又从它们的上级神经元———一种称为“运动前神经元”接受命令。例如，当大脑下达一条运动指示“朝外转”，这时候“运动前神经元”就通过运动神经元向肌肉传达这一命令。胡新天选择了运动前神经元作为研究对象。
这些成千上万的运动前神经元如何表达大脑的信息？有两种可能，一是所有的神经元无一例外地接受到信息，并精确表达传递了这一信息；另一种是它们接受到了信息，但各个神经元表达这一信息并不精确，一些神经元甚至会丢失信息。但由于整个系统的输出是所有神经元活动的综合，因此两种机制都能传递相同的信息，让肌肉完成相似的动作。
胡新天打了一个比方：“就如同开会表决，一是全体与会者绝对服从，每个人都举手通过，另一种是民主决策，虽然各人的意见不同，但最后是少数服从多数，结果也是通过。”
为了验证这两种假设，实验人员必须在精确记录神经元的活动的基础上，让猴子做多次非常相似的运动。但在技术上存在着很多困难。首先，猴子每次运动是难以完全一致的，因此必须从多个运动中挑选极相似的动作。科研人员通过计算机抽取解决了这个问题，同时用人工的方法加进神经元活动记录中偶尔漏掉的电脉冲。
结果发现在单个运动前神经元上，相似的运动命令所对应的神经电活动是高度相似的，也就是证实了第一种假设。从而得出结论：运动命令在运动前神经元上是精确表达的。
“通俗地讲，大脑中运动通路上的神经元就像整齐划一的部队，每个神经元都接受到一致的大脑信息并以非常精确的方式传达这些命令，从而提高了运动控制的有效性和可靠性。”胡新天说。
这一
论文的评审专家认为，为运动系统的神经机制提供了关键性的深入了解，该发现第一次讨论了运动研究的重要问题，填补了在此领域的空白。
研究眼睛运动能带给我们什么？
谈到应用价值，胡新天认为，这一发现不但加深了我们对大脑运动控制机理的认识，而且对机器人运动控制设计、眼睛运动障碍治疗等应用领域也有启迪。
眼睛是心灵的窗户。人们常说“眼睛发直”、“眼睛滴溜溜地转”，其实这些行为都间接地折射出我们的内心世界。胡新天告诉记者，眼睛运动牵涉到许多脑的高级功能，如注意、决策等，所以许多脑功能障碍，如精神分裂症、抑郁症等都有相关的眼动异常。
“非人灵长类动物由于在
遗传和生理上与人类的相似性而成为许多精神疾病的理想模型。实际上，根据我们文献追踪的结果，目前国内外还没有一篇系统研究非人灵长类疾病模型上的眼动异常。”胡新天透露，他们实验室将利用眼动为指标，在建立猕猴抑郁症、巴金森氏病等脑功能障碍模型的基础上，进行脑功能障碍眼动早期诊断和机理方面的研究。
新闻缘起
在运动控制研究中，大脑发出命令后，如何通过神经元控制肌肉采取行动？这个无法绕开又令人困惑的重要问题由我国科学家找到了部分答案。近日，最新一期的《美国科学院院刊》（PNAS）在线发表了中科院昆明动物所研究员胡新天的论文《运动命令在单个运动前神经元上的可靠性研究》。这一研究表明，每个运动命令在单个神经元上得到了高度精确的表达，这是世界首次对这一基本问题进行探讨。
众所周知，我们每一个动作都是脑内与运动相关神经元活动的结果，这些成千上万神经元活动的总和就是运动系统发出的运动命令。那么，大脑产生的每一条运动命令在运动通路的单个神经元上以何种方式表现？去年，胡新天和他的实验室以猕猴的眼动系统为模型，用一种全新的分析方法对这个问题进行了定量研究，并发现在单个运动前神经元上，相似的运动命令所对应的神经电活动是高度相似的。
作者：
2007-6-2