第九章 运动功能的组织
学习目标
完成本章学习后，学生应能回答以下问题：
- 什么是运动神经元（motor neuron）？α和γ运动神经元有何不同？
- 什么是运动单位（motor unit）？"大小原则（size principle）"如何解释运动单位的有序募集？
- 什么是反射（reflex）？为何反射对临床和科学理解具有价值？
- 肌梭（muscle spindle）感知肌肉的哪些状态信息？哪些传入纤维（afferent fiber）将这些信息传递至中枢神经系统（CNS）？
- γ运动神经元如何调控肌梭的反应？
- 基本脊髓反射的传导通路和功能是什么？
- 什么是中枢模式发生器（central pattern generator, CPG），它可用于哪些类型的运动？
- 在运动控制中，内侧和外侧下行通路的传导通路有何区别？
- 什么是去大脑僵直（decerebrate rigidity），它对肌张力的控制有何影响？
- 皮层运动区之间有何区别特征？
- 运动皮层神经元活动编码了哪些运动参数？
- 小脑的苔状纤维和橄榄小脑（攀爬）纤维传入系统在起源、拓扑结构和突触连接方面有何组织差异？
- 小脑皮质主要细胞元件之间的几何关系是怎样的？
- 浦肯野神经元（Purkinje neurons）的简单锋电位（simple spikes）和复杂锋电位（complex spikes）是什么？
- 基底神经节的直接通路（direct pathway）和间接通路（indirect pathway）是什么？它们的活动如何影响运动？
- 帕金森病（Parkinson disease）和亨廷顿病（Huntington’s disease）中直接通路与间接通路的活动平衡如何改变？
- 前庭-眼反射（vestibulo-ocular reflex）和视动反射（optokinetic reflex）如何协同稳定凝视？它们如何互补？
- 扫视（saccades）和平滑追踪运动（smooth pursuit movements）在视觉跟踪中起什么作用？
- 什么是眼球震颤（nystagmus）？正常个体中哪些类型的感觉刺激可诱发眼球震颤？
- 参与运动控制的中枢神经系统（CNS）各区域的躯体拓扑组织（somatotopic organization）是怎样的？
运动是人类与外界互动的主要方式。大多数活动——包括奔跑、伸手取物、进食、说话、书写和阅读——最终都涉及运动行为。运动控制是中枢神经系统（central nervous system, CNS）的主要任务，可定义为生成信号以协调身体和头部肌肉的收缩，从而维持姿势或产生运动（两种姿势之间的转换）。毫不意外，中枢神经系统的很大部分都参与运动控制。
由于神经系统的大部分区域参与运动控制，神经系统的损伤或疾病常导致运动功能的某些方面受损。相反，特定的运动症状有助于定位受损或功能障碍的区域——运动功能评估已被证明是一种重要的无创临床工具。
本章将逐一描述参与运动控制的主要中枢神经区域，从脊髓开始，接着是脑干、大脑皮层、小脑和基底神经节。眼动因其重要性及产生所需的特殊回路，将在本章末尾讨论。尽管每个中枢神经区域被单独描述，但这些区域并非孤立运作，大多数运动源自多个脑区的协同作用。例如，脊髓反射虽由脊髓局部回路介导，但仍可被下行运动指令所调控；而几乎所有源于大脑活动的自主运动，最终都是通过激活脊髓回路（或头面部肌肉对应的脑干核团）产生的。
脊髓组织的原理
脊髓呈圆柱形，其中白质位于浅表，灰质则深埋于白质外壳之下。灰质形成连续柱状结构，纵贯脊髓全长。然而，进出脊髓的神经根聚集成离散的神经束，这些神经束构成了脊髓特定节段命名的依据（8个颈段、12个胸段、5个腰段、5个骶段和1个尾段）。在横截面上观察时，灰质柱通常呈H形或蝶形结构。这些"蝶翼"被分为背角（dorsal horn）和腹角（ventral horn），二者由中间带（intermediate zone）分隔（图9.1）（在某些脊髓节段还存在小的侧角，详见第11章）。如先前所述（第7章），背角是传入感觉信息的主要接收区，也是上行感觉通路（如脊髓丘脑束；参见第7章脊髓丘脑束）的主要起源。腹角是运动神经元（motor neurons）的所在部位，因此主要承担运动功能。相应地，它也是来自大脑的下行运动通路的主要靶点。构成脊髓腹角的运动神经元与脑神经核的运动神经元具有相似特征和组织原则，分别控制躯干肌肉以及头颈部肌肉。
躯体运动神经元
运动神经元是投射到肌细胞的神经元。由于运动神经元是中枢神经系统活动控制肌肉活动的唯一途径，因此被称为最后共同通路（final common pathway）。运动神经元分为两类：激活骨骼肌的躯体运动神经元，以及支配平滑肌和腺体并主要无意识发挥作用的自主运动神经元。本章中"运动神经元"特指躯体运动神经元；自主运动神经元将在第11章讨论。根据轴突直径，支配躯体骨骼（横纹）肌的躯体运动神经元主要分为两类：α运动神经元和γ运动神经元。
α运动神经元（α Motor Neurons）
α运动神经元是大型多极神经元，直径可达70μm（图4.10A）。其轴突通过腹根离开脊髓，或通过颅神经离开脑干，经周围神经分布至相应骨骼肌。在离开中枢神经系统（CNS）前，α运动神经元轴突会发出侧支投射至其他神经元。主轴突终末通过突触连接梭外肌纤维（extrafusal fibers），这些突触称为神经肌肉接头（neuromuscular junctions, NMJs）或运动终板。梭外肌纤维是构成骨骼肌主体的大肌纤维，负责产生收缩力（肌肉中还含有梭内肌纤维（intrafusal fibers），其功能将在本章后文及第12章详述）。
从CNS发出的运动神经元投射模式具有关键功能特征：每个神经元的轴突仅支配一块肌肉，但会在该肌肉内分支支配多个肌纤维。哺乳动物中，每个梭外肌纤维仅受一个α运动神经元支配。因此运动单位（motor unit）可定义为α运动神经元及其轴突支配的所有骨骼肌纤维的集合。运动单位是运动的基本功能单位，因为在正常情况下，α运动神经元的放电会引发该运动单位所有肌纤维的激活和收缩。如第6章所述，神经肌肉接头的安全系数（safety factor）大于1，因此运动神经元轴突的每个动作电位都会触发运动单位内所有肌纤维的动作电位。
重要原则是：不同肌肉的运动单位平均大小（即单个轴突支配的肌纤维数量）存在差异，这取决于对肌肉精细控制的需求。例如眼肌等需要精细控制的肌肉中，单个α运动神经元可能仅支配数个肌纤维；而在股四头肌等近端肢体肌肉中，单个α运动神经元可支配数千个肌纤维。
特定运动单位所属的肌纤维称为肌单位（muscle unit）。同一肌单位的所有肌纤维具有相同的组织化学类型（即均为慢缩型[type I]或快缩型[type IIA或IIB]纤维）。关于肌纤维类型的详细描述参见第12章。本章需重点了解的是：多种生理特性与此组织化学分类体系相关。具体而言：
- 慢缩型纤维：如其名所示，收缩和舒张速度缓慢，产生较低收缩力，但基本不会疲劳
- 快缩型纤维：收缩和舒张迅速，产生较大收缩力，但以不同速率发生疲劳
在许多情况下（无论是自主运动、反射动作还是维持姿势），首先被激活的往往是轴突最细小的运动单位。这些运动单位包含慢缩型纤维，因此产生的收缩力最小，使得初始收缩可被精细分级。这些单位倾向于持续或接近持续地活动，其抗疲劳特性具有重要功能意义。
随着更多运动单位（motor unit）被募集参与运动行为，具有更大轴突的运动神经元会逐步参与，这些轴突与快缩肌纤维形成突触连接，从而产生逐步增强的张力。这类最强大的运动单位通常仅在需要极大力量的任务中被募集（例如短跑、跳跃和举重），而这些任务人类只能维持短时间执行。
运动单位的有序募集帮助中枢神经系统（CNS）产生大范围的力值，并在不同力值水平保持相对精准的控制。这种募集模式被称为大小原则（size principle），因为运动单位是按运动神经元轴突尺寸的顺序被募集的。该原则基于小运动神经元比大运动神经元更易被激活的特性。回忆一下，当兴奋性突触激活时，它会打开突触后膜的通道并引发兴奋性突触后电流（excitatory postsynaptic current, EPSC）。根据欧姆定律，相同大小的EPSC在小运动神经元的轴突起始段会产生比大运动神经元更大的电位变化，这主要是因为小运动神经元的膜电阻更高。由于中枢神经系统的兴奋性突触后电位（EPSPs）幅度较小且需要叠加才能达到触发动作电位的阈值，当突触激活水平从零逐渐升高时，小运动神经元的去极化会更快达到动作电位阈值。虽然大小原则通常成立，但存在例外情况，此时下行运动通路可能需要对不同大小的运动神经元提供不同水平的突触驱动。
γ运动神经元（γ Motor Neurons）
γ运动神经元（γ motor neuron）比α运动神经元（α motor neuron）小，其胞体直径约35 μm。支配特定肌肉的γ运动神经元与支配同一肌肉的α运动神经元位于脊髓前角的相同区域。γ运动神经元不支配梭外肌纤维（extrafusal muscle fiber），而是与称为梭内肌纤维（intrafusal muscle fiber）的特化横纹肌纤维形成突触，这些纤维贯穿嵌入骨骼肌的感受器——肌梭（muscle spindle）。γ运动神经元的功能是调节这些感受器的敏感性（后文详述）。
腹角中运动神经元的拓扑组织
脊髓中运动神经元的空间分布具有拓扑组织形式。体内特定骨骼肌由位于腹角的α（alpha）运动神经元群（称为运动核）所支配。每个运动核呈现为沿头尾方向延伸的柱状结构，可跨越多个脊髓节段（见图9.1A）。支配躯干轴肌的运动神经元共同形成一个纵贯脊髓全长的神经元柱。在颈膨大和腰骶膨大处，这些神经元位于腹角的最内侧部分；在其他节段，它们构成整个腹角。支配四肢肌肉的运动神经元位于颈膨大和腰骶膨大处，形成轴肌支配柱外侧的神经元柱。支配肢体远端肌肉的运动神经元位于最外侧，而支配近端肌肉的神经元则位于更内侧（见图9.1B）。此外，支配屈肌的运动神经元位于支配伸肌的神经元背侧。需注意，支配同一肌肉的α和γ运动神经元在运动神经元柱内是混合分布的。
膨大部位与运动神经元连接的中间神经元也呈现类似的拓扑结构。总体而言，支配四肢肌肉的中间神经元主要位于背角深层的侧部以及背角与腹角之间的中间区域；而支配轴肌的中间神经元则位于腹角内侧部。所有这些中间神经元均接受来自初级传入纤维和脑下行通路的突触连接，因此它们既是脊髓反射弧的组成部分，也参与下行运动控制通路。
中间神经元系统的一个重要特征是：位于外侧的中间神经元同侧投射至支配肢体远端或近端肌肉的运动神经元，而内侧中间神经元则双侧投射。外侧中间神经元的这种排列方式使得肢体能够被独立控制。相比之下，内侧中间神经元的双侧分布实现了控制中轴肌（axial muscles）运动神经元的双侧协调，这些肌肉为躯干和颈部提供姿势支撑。
脊髓反射
尽管运动神经元是中枢神经系统（CNS）到肌肉的最终共同通路，因此决定了神经活动如何转化为肌肉收缩，但每个运动神经元仅直接作用于单个肌肉。然而，正常运动（或姿势）几乎不可能是由单个肌肉的孤立收缩引起的。它们反映的是大肌群的协调活动。例如，肘关节屈曲涉及屈肌（如二头肌）的初始爆发性活动，以及伸肌（如三头肌）的松弛。随后出现的是三头肌的爆发性活动，接着是二头肌的第二次爆发性活动，以使屈曲运动在预定位置停止。此外，肘关节屈曲过程中还会激活其他肌肉以维持整体平衡和姿势。
如肘关节屈曲的例子所示，运动中各肌肉扮演不同角色：（1）发起并主导运动的肌肉称为主动肌（agonist）；（2）与主动肌作用相似的肌肉称为协同肌（synergist）；（3）活动与主动肌作用相反的肌肉称为拮抗肌（antagonist）；（4）最后，肌肉可作为固定肌（fixator）使关节固定并维持姿势。这些不同肌肉作用之间的关系也取决于具体执行的运动。例如，在肘关节屈曲时，Triceps作为Biceps的拮抗肌；而在前臂旋后（supination）时（若肘关节不发生旋转），同样具有旋后功能的Biceps再次成为主动肌，此时Triceps则扮演肘关节固定肌的角色。
运动控制需要灵活地联结（或解除联结）连接不同肌肉的运动神经元群的活动。脊髓环路是中枢神经系统实现这一运动控制功能的主要机制。事实上，来自大脑的下行通路主要靶向脊髓中间神经元，尽管也存在直接与运动神经元形成突触的下行轴突。
脊髓环路具有多个组织层级 。最基本的层级是节段水平（segmental level）：即主要局限于单个或相邻几个节段的环路，且该环路在多个节段重复出现。后文将讨论的基础脊髓反射（即肌伸张反射、反肌伸张反射和屈曲反射）均由此类环路介导。 叠加在这种节段性结构之上的是脊髓固有系统（propriospinal system），即一系列轴突在脊髓内上下走行以连接不同节段的神经元。该系统协调不同脊髓节段的活动，这对涉及前肢和后肢的行为（如运动）至关重要。 最后，还存在与这些脊髓环路相互作用的下行运动通路（descending motor pathways）。这些通路传递与自主运动相关的信号，同时也对运动功能中更自动化（或无意识）控制的方面（如肌张力调节）起重要作用。
脊髓环路参与机体的所有运动，但其研究主要基于反射。反射（reflex）是对诱发刺激产生的快速、可预测、无意识且模式固定的反应。由于这些特性，脊髓反射被用于： ①识别和分类脊髓神经元 ②确定其连接方式 ③研究其反应特性。理解脊髓反射对认识脊髓功能至关重要。
反射的神经基础称为反射弧。反射弧可分为三部分：
- 传入支（afferent limb）（感觉受体和轴突）：将信息传递至中枢神经系统
- 中枢成分（central component）（中枢神经系统内的突触和中间神经元）
- 传出支（efferent limb）（运动神经元）：引发运动反应
例如，用反射锤轻敲髌腱会短暂拉伸股四头肌（刺激），激活感觉受体（肌梭中的Ia类纤维）；感觉受体的激活向脊髓发送兴奋性信号（中枢处理），激活投射回股四头肌的运动神经元，引发收缩并产生踢腿动作（模式化反应）。个体能感知踢腿动作，但该过程是无意识的。
刺激与反应的可预测关联使反射成为临床医生和神经科学家研究脊髓功能的重要工具。但需注意：不能将特定神经元的功能局限地理解为仅参与特定反射，因为这些神经元同时也是下行运动通路的作用靶点，并参与自主运动的产生。
例如，屈曲反射弧的中间神经元同时也是运动中枢模式发生器的一部分。即使在反射弧传入支静息时，这些神经元仍可能保持活动状态。
在接下来的几个章节中，我们将详细讨论三个著名的脊髓反射。这些反射不仅阐明了脊髓回路和功能的重要特征，还具有重要的行为学和临床意义。当然，脊髓回路还介导许多其他反射（例如排尿反射（micturition reflex）；见图11.3）。
肌牵张反射（Myotatic Reflex）或牵张反射（Stretch Reflex）
牵张反射（stretch reflex）正如其名所示，是由肌肉拉伸引发的一组运动反应。前文描述的膝跳反射（knee jerk reflex）就是其典型代表。该反射对于维持姿势至关重要，并能帮助克服自主运动过程中遇到的意外阻力。牵张反射的变化参与大脑指令的动作，其病理性改变是神经系统疾病的重要体征。相位性牵张反射（phasic stretch reflex）由肌肉快速、瞬时的拉伸引发，例如医生使用叩诊锤诱发的反射或运动过程中遇到意外阻力时产生的反射。紧张性牵张反射（tonic stretch reflex）则由较缓慢或持续的肌肉拉伸引发。负责启动牵张反射的感受器是肌梭（muscle spindle）。肌梭存在于几乎所有骨骼肌中，在精细运动控制的肌肉（如手部和眼部的小肌肉）中分布尤为密集。这种反射回路是调节肌肉活动的普遍机制。
肌梭（Muscle Spindle）的结构
肌梭（muscle spindle）正如其名，是一个梭形或纺锤形的器官，由一束特化的肌纤维组成，这些肌纤维接受丰富的感觉轴突和运动轴突支配（见图9.2）。肌梭直径约100μm，最长可达10mm。其神经支配部分包裹在结缔组织被膜内。肌梭位于普通肌纤维之间，通常靠近肌肉的肌腱附着处。肌梭的两端与肌肉内的结缔组织（肌内膜）相连。关键点在于：肌梭与普通肌纤维呈并联关系，因此能够感知肌肉长度的变化。
肌梭内的肌纤维称为梭内纤维（intrafusal fibers），以区别于构成肌肉主体的普通梭外纤维（extrafusal fibers）。单个梭内纤维比梭外纤维细得多，且不贯穿肌肉全长。其收缩力微弱，既无法显著影响肌张力，也不能直接引起肌肉整体长度的改变。
从形态学角度，肌梭内存在两类梭内肌纤维：核袋纤维（nuclear bag fibers）和核链纤维（nuclear chain fibers）（见图9.2B）。其命名源于纤维内细胞核的排列方式（肌纤维由发育过程中多个成肌细胞融合形成，故成熟肌细胞为多核细胞）。核袋纤维较核链纤维粗大，其细胞核在纤维中段（赤道区）聚集成簇，形似一袋橙子。核链纤维的细胞核则呈单行排列。从功能上，核袋纤维可分为bag1和bag2两种类型。如后文所述，bag2纤维在功能上与核链纤维相似。
梭内肌纤维（intrafusal fiber）的神经支配方式与由单一运动神经元支配的梭外肌纤维（extrafusal fiber）有显著差异。梭内肌纤维同时接受感觉和运动神经支配。其感觉神经支配通常包括单个Ia类传入纤维和数量不等的II类传入纤维（见图9.2B）。Ia类纤维属于直径最大的感觉神经纤维类别，传导速度为80～120米/秒；II类纤维直径中等，传导速度为35～75米/秒。Ia类传入纤维在肌梭内的每根梭内肌纤维上形成螺旋状终末结构，称为初级末梢（primary ending）。初级末梢可见于两种类型的核袋纤维（nuclear bag fiber）和核链纤维（nuclear chain fiber）。II类传入纤维则在核链纤维和bag2纤维上形成次级末梢（secondary ending），但不在bag1纤维上分布。初级和次级末梢具有机械敏感性通道，可感知梭内肌纤维的张力水平。
肌梭的运动神经支配由两种类型的γ运动轴突组成（见图9.2B）。动态型γ运动轴突（dynamic γ motor axon）终止于核袋1纤维（bag1 fiber），而静态型γ运动轴突（static γ motor axon）终止于核链纤维和核袋2纤维（bag2 fiber）。
肌梭检测肌肉长度变化
由于肌梭与梭外肌纤维平行排列，因此会随梭外肌纤维的牵拉或缩短而发生长度变化，从而响应肌肉长度的改变。与所有肌纤维类似，梭内肌纤维具有类似弹簧的特性，其长度变化会引起所受张力的改变，这种改变被Ia类和II类肌梭传入纤维的机械感受器所感知。非选择性阳离子通道Piezo2已被确认为主要转导通道，使肌梭感觉传入纤维能够感知肌肉长度变化时产生的机械应力改变。
图9.3显示了肌肉被牵拉时肌梭传入纤维活动的变化。可以明显看出Ia类和II类纤维对牵拉的反应存在差异。Ia类纤维既对肌肉牵拉程度敏感，也对其速率敏感；而II类纤维主要响应牵拉程度。因此，当肌肉被牵拉到新的更长长度时，II类纤维的放电频率随牵拉程度成比例增加（见图9.3左）；当肌肉允许缩短时，其放电频率相应成比例降低（见图9.3右）。Ia类纤维也表现出类似的静态型反应，因此在稳态条件下（即肌肉长度恒定），其放电频率反映肌肉牵拉程度，这与II类纤维的表现相似。
当肌肉长度发生变化时，Ia组的放电反映了肌肉正在经历的拉伸或缩短速率。其活动在肌肉拉伸期间会超过基线水平，在肌肉缩短期间则低于基线（甚至可能停止）。这些反应被称为动态响应（dynamic responses）。这种动态敏感性（dynamic sensitivity）也意味着Ia组纤维的活动对瞬时和振荡性拉伸更为敏感，如图9.3中间图所示。特别值得注意的是"叩击模式"（tap profile），这对应于使用反射锤敲击肌腱时引起的附着肌肉短暂拉伸。肌肉长度的变化过于短暂，不足以引发II组纤维放电的显著改变，但由于这种刺激产生的变化速率（叩击曲线的斜率）极大，因此会在Ia组纤维中引发强烈的动态响应。因此，当使用反射锤敲击肌腱时，实际上是在评估涉及Ia组传入纤维的反射弧功能。更重要的是，这种反应的行为特征可以提供关于运动功能障碍来源的信息（例如中枢神经系统或周围神经系统，详见本章后续章节"下行运动通路损伤引起的运动缺陷"）。
γ运动神经元调节肌梭的敏感性
到目前为止，我们仅描述了在γ运动神经元（γ motor neuron）活动未发生变化时肌梭（muscle spindle）的行为方式。然而，肌梭的传出神经支配（efferent innervation）极为重要，因为它决定了肌梭对牵张（stretch）的敏感性。例如，在图9.4A中，显示了肌梭传入纤维（muscle spindle afferent fiber）在持续牵张期间的放电活动。如果仅有梭外肌纤维（extrafusal muscle fiber）收缩（这可以通过选择性刺激α运动神经元（α motor neuron）来实现；见图9.4B），肌梭会因肌肉缩短而卸载（unloaded）。此时，肌梭传入纤维可能停止放电，并对肌肉长度的进一步缩短失去敏感性。然而，如果同时刺激α和γ运动神经元，则可以防止肌梭的卸载。这种联合刺激使肌梭的梭内肌纤维（intrafusal muscle fiber）与梭外肌纤维同步缩短，从而维持梭内肌纤维赤道区的基线张力（baseline tension）（见图9.4C）。
值得注意的是，只有梭内肌纤维的两极区域会发生收缩；含有细胞核的赤道区由于缺乏收缩蛋白而不会收缩。然而，当两极区域收缩时，赤道区会被拉长并恢复其敏感性。反之，当肌肉松弛（α运动神经元活动降低）并被拉长（若其两端受到牵拉），同时γ运动神经元活动的减少允许梭内肌纤维也松弛（从而被拉长），从而避免梭内肌纤维中央区域的张力达到使传入纤维放电饱和的水平。因此，γ运动神经元系统使肌梭能够在广泛的肌肉长度范围内工作，同时保持对微小长度变化的高度敏感性。
在随意运动中，来自大脑的下行运动指令（descending motor command）通常会同时激活α和γ运动神经元，推测是为了维持肌梭敏感性，如前所述。这具有两个重要功能：第一，通过在肌肉长度变化时维持肌梭的敏感性，肌梭能够持续感知并向中枢神经系统（CNS）报告任何导致肌肉意外牵张的运动干扰，从而使CNS能够启动反射（见下一节）和随意运动的纠正。第二，若肌梭在运动过程中被卸载，这会通过Ia类反射弧（group Ia reflex arc）（见下一节）减少对主动肌（agonist muscle）α运动神经元的兴奋性驱动，从而阻碍预期运动的执行。
动态与静态γ运动神经元
如前所述，γ运动神经元（γ motor neurons）分为动态型和静态型两种（见图9.2）。这使得中枢神经系统（CNS）能够对肌梭（muscle spindle）的敏感性进行精确调控。动态型γ运动神经轴突（dynamic γ motor axons）终止于核袋1型纤维（nuclear bag1 fibers），而静态型γ运动神经轴突（static γ motor axons）则与核链纤维（nuclear chain fibers）和核袋2型纤维（bag2 fibers）形成突触。激活动态型γ运动神经元时，Ia类传入纤维（group Ia afferent fibers）的反应增强，但II类传入纤维（group II afferent fibers）的活动不受影响；当静态型γ运动神经元放电时，II类传入纤维的反应性以及Ia类传入纤维的静态反应性均会增强。图9.5展示了刺激静态与动态纤维对Ia类传入纤维牵张反应的影响。下行通路（descending pathways）可优先影响动态或静态γ运动神经元，从而改变脊髓内反射活动的性质，并可能在自主运动过程中调节肌梭的功能。
相位性（或Ia类）牵张反射
图9.6展示了负责相位性牵张反射（phasic stretch reflex）的反射弧（reflex arc），以股直肌（rectus femoris muscle）为例。快速牵拉股直肌会强烈激活肌梭的Ia类纤维，这些纤维将信号传入脊髓。在脊髓内，每条Ia类传入纤维会分支出大量兴奋性突触，直接（单突触性地）与支配同一肌肉（即同名肌，homonymous muscle）的几乎所有α运动神经元（α motor neurons）形成连接，同时与许多支配协同肌（如本例中同样参与膝关节伸展的股中间肌vastus intermedius）的α运动神经元形成突触。若兴奋足够强，运动神经元将放电并引发肌肉收缩。值得注意的是，Ia类纤维不与γ运动神经元形成联系，这可能是为了避免正反馈循环（positive-feedback loop）的发生。这种对α运动神经元的选择性靶向具有特殊性，因为大多数其他反射通路和下行通路会同时作用于α和γ运动神经元。
Ia类纤维的其他分支终止于多种中间神经元，但其中一种类型——交互性Ia抑制性中间神经元（reciprocal Ia inhibitory interneuron，图9.6中黑色神经元）——对牵张反射尤为重要。这些中间神经元可被识别，因为它们是唯一同时接收Ia类传入纤维和闰绍细胞（Renshaw cells，见图9.12）输入的抑制性中间神经元。它们终止于支配拮抗肌（本例中为屈膝的腘绳肌群，包括半腱肌semitendinosus）的α运动神经元。Ia类传入纤维的其他分支还与另一些神经元形成突触，这些神经元发出上行通路，向大脑多个区域（特别是小脑和大脑皮层）传递肌肉状态信息。
强直性牵张反射
强直性牵张反射可通过关节的被动弯曲引发。该反射回路包含来自肌梭的Ia类和II类传入纤维（group Ia and group II afferent fibers）。II类纤维通过单突触兴奋性连接作用于α运动神经元（α motor neurons），但也通过双突触和多突触通路对其进行兴奋。正常情况下，Ia类和II类传入纤维的持续活动有助于维持α运动神经元的基线放电频率；因此，强直性牵张反射参与肌张力的维持。其活动也影响维持姿势的能力。例如，当士兵立正站立时若因疲劳导致膝关节开始屈曲，股四头肌被牵拉，引发强直性牵张反射，股四头肌收缩增强，从而对抗屈曲并恢复姿势（需注意，腿部肌肉收缩还可减轻血液在腿部的淤积及可能的直立性低血压——晕厥）。
上述讨论表明，牵张反射可像负反馈系统一样控制肌肉长度。通过追踪牵张反射弧可见，其活动的变化会对抗肌肉长度偏离特定平衡点的改变。例如，若肌肉长度增加，Ia类和II类纤维的放电将增强，从而兴奋同名α运动神经元（homonymous α motor neurons），导致肌肉收缩并逆转牵拉。类似地，肌肉的被动缩短会卸载肌梭，导致运动神经元兴奋性驱动的降低，从而使肌肉放松。那么人类如何能够旋转关节？部分原因是γ运动神经元（γ motor neurons）在运动过程中被共激活，从而改变肌梭的平衡点；另一部分原因是该反射的增益（gain）或强度较低，使得运动神经元接收的其他输入能够覆盖牵张反射。
临床相关
亢进的牵张反射可导致震颤和阵挛（clonus），这些都属于不自主节律性运动类型。虽然牵张反射的负反馈作用有助于肢体在特定位置的稳定，但当肢体受到外部扰动时，引发刺激（肌肉牵张）与反应（肌肉收缩）之间的传导延迟会使牵张反射回路成为导致节律性运动的不稳定因素。具体而言，阵挛是由脊髓损伤患者肌肉持续牵张所引发的。正常情况下，施加的持续肌肉牵张会增强Ia群和II群纤维活动，经过延迟后引起肌肉收缩以对抗牵张，但由于牵张反射的增益远小于1，这种收缩并不能使肌肉完全恢复到初始长度。
这种部分代偿反过来又会导致Ia群和II群纤维活动减弱，使得肢体再次伸长但未完全复原。这种伸长再次增强Ia群和II群纤维活动，如此循环往复。延迟在建立这种振荡中至关重要，因为它使得反馈信号在肌肉完成代偿后仍持续存在，从而导致过度代偿并引发下一次过校正。然而，由于反射增益通常远小于1，这种振荡通常会快速衰减（过代偿幅度迅速减小），最终肌肉会在中间长度保持静止。相反，当下行运动通路受损时，脊髓连接性的改变和神经元兴奋性增加会导致反射亢进（相当于将牵张反射增益提升至接近1）。此时，连续的过代偿幅度显著增大，可观察到明显但短暂的振荡（阵挛）。若增益等于1，阵挛不会衰减，而是会持续至初始牵张刺激终止。
一般而言，系统的增益定义为特定输入对应的输出。在此情况下，系统的输入是施加的牵张刺激，输出则是牵张反射引发的收缩所产生的运动。
逆向肌牵张反射或Ib类反射
反向肌伸张反射（inverse myotatic reflex）的作用是抵抗肌肉力量水平的变化。正如牵张反射可视为调节肌肉长度的反馈系统，反向肌伸张反射（或称Ib群反射）可视为维持肌肉力量水平的反馈系统。以大腿上部为例，Ib群反射弧如图9.7所示。
该反射弧起始于高尔基腱器官（Golgi tendon organ）感受器，后者感知肌肉张力。高尔基腱器官位于肌腱与肌纤维连接处，因此与肌纤维呈串联排列，这与肌梭（muscle spindle）的平行排列形成对比（见图9.2）。高尔基腱器官直径约100~μm，长度约1\mathrm{mm}。每个高尔基腱器官由Ib群传入纤维的终末分支支配。这些终末分支缠绕于肌肉肌腱（或肌肉内腱划）的胶原纤维束上。
由于其与肌肉的串联关系，高尔基腱器官（Golgi tendon organ）既可通过肌肉拉伸也可通过肌肉收缩被激活。在这两种情况下，高尔基腱器官感知的实际刺激是其所连接的肌腱中产生的力。对于拉伸而言，该反应源于肌肉的类弹簧特性，作用于肌肉（"弹簧"）的力与其被拉伸的程度成正比（基于胡克定律）。
为区分肌梭（muscle spindle）和高尔基腱器官的响应特性，可比较当肌肉被拉伸并保持于较长长度时Ia组和Ib组纤维的放电模式（图9.8）。Ia组纤维的放电频率在拉伸恢复前持续保持增高。相比之下，Ib组纤维的放电频率最初呈现大幅增加（反映拉伸引起的肌肉张力增加），但随着横桥循环（cross-bridge recycling）及由此产生的肌小节（sarcomere）延长导致肌肉张力降低，其放电频率逐渐回归初始水平。因此，高尔基腱器官编码力信号，而肌梭编码肌肉长度信号。这一区分的进一步证据是：在等长收缩（isometric contraction）过程中，尽管肌肉长度（及相应的Ia组活动）未改变，但Ib组放电仍与力水平相关。
屈反射与运动
屈反射始于多种感觉受体（包括伤害感受器）的激活，这些信号可通过多种传入纤维（包括II组和III组纤维）传递至脊髓，这些传入纤维统称为屈反射传入（flexion reflex afferent, FRA）纤维。在屈反射中，传入冲动（1）通过兴奋性中间神经元激活同侧肢体屈肌的α运动神经元；（2）通过抑制性中间神经元抑制拮抗伸肌的α运动神经元（图9.9）。这种活动模式导致受刺激肢体一个或多个关节的屈曲。此外，连合中间神经元在脊髓对侧引发相反的活动模式（见图9.9），导致对侧肢体伸展，即交叉伸反射。对于人类下肢（或四足动物的前肢和后肢），反射的交叉伸展部分通过使对侧肢体能够支撑抬起屈曲肢体时转移的额外负荷，有助于维持平衡。
临床联系
在运动下行通路受损后，亢进的牵张反射可能导致痉挛（spasticity），表现为肢体被动旋转时产生巨大阻力。在此状态下，可能观察到所谓的折刀反射（claspknife reflex）。当存在痉挛时，尝试绕关节旋转肢体最初会遇到很大阻力。然而，若施加的力持续增加，会达到一个临界点，此时阻力突然消失，肢体可轻松旋转。这种阻力变化由反射性抑制引起。Ib类反射弧提示该通路活动增强可能是阻力突然释放的基础。事实上，折刀反射曾被认为源于高尔基腱器官（Golgi tendon organs）的激活，当时认为这些感受器对肌肉拉伸具有高阈值。然而后续研究表明，腱器官在极低力量水平下即可被激活，因此不再被认为是折刀反射的成因。目前认为该反射由分布于肌肉周围筋膜的其他高阈值肌肉感受器激活引起。来自这些感受器的信号激活中间神经元，进而导致同名运动神经元抑制。
由于屈曲通常使受累肢体靠近身体并远离伤害性刺激，屈曲反射属于一种回缩反射（withdrawal reflex）。图9.9展示了仅影响膝关节的屈曲反射神经回路。但实际上，屈曲反射中存在初级传入通路和中间神经元通路的高度发散。事实上，肢体所有主要关节（如髋、膝、踝）都可能参与强烈的屈肌回缩反射。屈肌回缩反射的具体表现因刺激性质和部位而异。
参与屈曲反射的中间神经元似乎也是中枢模式发生器（central pattern generator, CPG）的组成部分，该结构用于生成运动节律，这体现了反射回路的多功能特性。CPG是指能够在缺乏感觉输入时产生基础运动行为的节律性活动的神经元和回路集合。例如，FRA中间神经元的激活会导致同侧屈肌兴奋和伸肌抑制，而对侧呈现相反模式；脊髓两侧FRA中间神经元的交替激活可产生踏步模式。也就是说，行走运动可能源自两侧FRA中间神经元的交替激活。需注意的是，FRA回路中的这种节律性活动模式不一定依赖于FRA纤维自身的活动（例如可能由脑部下行通路激活）。
为证明这些神经环路确实参与运动节律（locomotion rhythm）的生成，研究者制备了可显示自发运动行为的脊髓标本（即当脑干被横断且体重获得支撑时，脊髓环路能够产生引发肢体执行正常运动序列的活动）。在其中一项实验中，记录了肢体屈肌（flexor）和伸肌（extensor）的肌电图（electromyographic, EMG）信号，并通过刺激屈肌反射传入（FRA）纤维来观察其对运动节律的影响（图9.10）。在未施加刺激时，屈肌与伸肌的EMG活动呈现自发的交替模式。若FRA纤维未参与运动环路，或至少不是产生节律的关键组成部分（见图9.10B），则刺激应仅引起短暂反应（即屈肌EMG记录中出现单个爆发，而伸肌EMG活动被短暂抑制），而对持续进行的EMG模式无长期影响。实验中确实观察到这种短暂反应（见图9.10A；刺激后即刻的EMG记录）。然而，通过比较刺激前后肌肉收缩的时间可发现，刺激还导致运动节律发生约180度的永久性相位偏移。垂直虚线标示了若刺激未引起EMG活动模式相位偏移时预期出现屈肌EMG反应的时间点。刺激前，每条虚线与屈肌EMG爆发的起始对齐；而刺激后，每条虚线则出现在屈肌爆发的末尾。因此，该刺激影响了运动中枢模式发生器（central pattern generator, CPG）本身，表明FRA中间神经元是这一CPG的关键组成部分（见图9.10C）。
该实验揭示的第二个重点是：运动CPG（以及广义的CPGs）可被强烈的传入纤维活动所调控。传入纤维的影响确保了模式发生器能够适应运动过程中地形环境的变化。这类变化可能在奔跑时快速发生，此时必须调整运动以确保协调性。
通过反射研究确定脊髓组织方式
汇聚（convergence）和发散（divergence）是反射通路及神经环路的普遍特征。在前述对反射的讨论中已描述了这些现象的多个实例。反射可用于识别和表征脊髓中的这些现象。例如，汇聚输入可通过图9.11所示的空间总和（spatial facilitation）现象进行验证。
在本例中，通过电刺激两条神经中的Ia类纤维（见图9.11A）可诱发单突触反射（monosynaptic reflex）。反射反应的特征表现为从相应腹根记录的α运动轴突放电（以复合动作电位形式）。刺激神经A时，记录到小复合动作电位即反射A；同理，刺激神经B时记录到反射B。图9.11B显示运动核内包含的运动神经元。当单独刺激各神经分支时，放电区的α运动神经元被激活至阈值以上，因此每条神经单独受刺激时都会引发特定的一对α运动神经元发放动作电位。此外，每对运动神经元周围还存在由八个额外运动神经元组成的阈下边缘区（subliminal fringe），这些神经元虽被兴奋但未达到触发动作电位的程度。
当同时刺激两条神经时，记录到显著增大的反射放电（比较图9.11B右侧的RA、RB与RA+RB记录）。如图所示，该反射表现为七个α运动神经元的放电：四条来自各神经单独刺激时的放电神经元（每条神经两个），以及三条额外α运动神经元（位于易化区（facilitation zone）），这些神经元因同时处于两条神经的阈下边缘区而仅在双神经同时受刺激时放电。
类似效应也可通过重复刺激某条神经诱发，只要刺激间隔足够短，使第一波刺激的部分兴奋效应在第二波刺激到达时仍然持续。此效应称为时间总和（temporal summation）。空间总和（spatial summation）与时间总和均依赖于Ia类传入纤维在α运动神经元引发的EPSP特性（见图6.8）。
汇聚（convergence）也可导致刺激之间的抑制性相互作用，这种现象称为遮蔽现象（occlusion）。如果图9.11中两条神经中的一条神经所产生的一排冲动（volley）在运动神经元高度兴奋时到达运动核团，其反射放电量会相对较大（见图9.11C）。另一条神经的类似排冲动也可能产生较大的反射反应。然而，当两条神经同时被激活时，若两条神经单独激活时达到阈值的神经元存在显著重叠，则其共同引发的反射可能小于两个独立诱发反射的总和。在这种情况下，每条传入神经激活7个α运动神经元，但两条神经的排冲动共同仅导致12个α运动神经元放电，因为有两个运动神经元同时位于两条传入神经的个体放电区内。
空间总和（spatial summation）与时间总和（temporal summation）以及遮蔽现象也可用于证明脊髓神经元与各类反射回路之间的相互作用。首先，通过刺激肌肉神经中的Ia类传入纤维可诱发单突触反射放电（monosynaptic reflex discharge）。这是对一群α运动神经元反射兴奋性的测试。若选择刺激合适的肌肉神经，可记录到伸肌或屈肌α运动神经元的放电。随后，通过同时刺激其他类型传入纤维与来自肌肉的同源（homonymous）Ia类传入纤维，可观察Ia类刺激的反应是否发生变化。例如，刺激拮抗肌神经中的Ia类传入纤维会抑制对同源Ia类刺激的反应（这一过程由先前描述的Ia类交互抑制性中间神经元介导）。
另一个例子是：若刺激皮肤神经的小型传入纤维以诱发屈曲反射（flexion reflex），支配伸肌的α运动神经元对Ia类刺激的反应会被抑制（而支配屈肌的α运动神经元反应则被增强）。
作为最后一个示例，刺激腹根(ventral root)会抑制Ia类群组(group Ia)响应并抑制对侧Ia类群组的抑制。由于腹根仅包含运动神经元轴突，这一结果表明存在轴突侧支(axon collaterals)，它们通过兴奋抑制性中间神经元形成对同一运动神经元群的反馈（图9.12）。这些中间神经元被命名为Renshaw细胞(Renshaw cells)。由于腹根刺激还会抑制拮抗运动神经元的Ia类群组抑制，但不影响其他类型的中间神经元，因此对侧Ia类群组中间神经元特异性地被腹根刺激所抑制（而通过Ia类群组刺激被激活）。
下行运动通路
下行运动通路的分类
传统上将下行运动通路分为锥体束通路(pyramidal pathways)和锥体外通路(extrapyramidal pathways)。这一术语反映了临床上对锥体束疾病(pyramidal tract disease)与锥体外疾病(extrapyramidal disease)的二分法。在锥体束疾病中，皮质脊髓（锥体）束(corticospinal (pyramidal) tract)被阻断。该疾病的体征最初被归因于锥体束功能的丧失（其命名源于皮质脊髓束穿过延髓的锥体(pyramids of the medulla)）。然而在多数锥体束疾病病例中，其他通路的功能也会发生改变，且锥体束疾病的大多数体征（参见后文"由下行运动通路损伤引起的运动缺陷"章节）显然不仅由皮质脊髓束的丧失单独引起，还反映了其他运动通路（有时称为锥体外系统(extrapyramidal system)）的损伤。
另一种分类运动通路的方法是基于它们在脊髓中的终止部位及其在运动和姿势控制中的作用。外侧通路（lateral pathways）终止于脊髓灰质的侧部（图9.13）。外侧通路可直接兴奋运动神经元，但其主要靶标是中间神经元（interneurons）。它们影响控制肢体远端精细运动的反射弧，以及激活肢体近端支撑肌群的反射弧。内侧通路（medial pathways）终止于内侧腹角的内侧中间神经元群（见图9.13）。这些中间神经元与双侧控制轴向肌群（用于平衡和姿势）的运动神经元连接，同时也参与部分近端肢体肌肉的控制。本书使用"外侧"和"内侧"术语对下行运动通路进行分类。然而，这种术语并不完全准确，部分原因是局部柱状排列的运动神经元胞体具有大的树突树，通常跨越大部分腹角。因此，任何运动神经元都可能接受来自所谓"内侧系统"或"外侧系统"通路的输入。
外侧系统
外侧皮质脊髓束与皮质延髓束
皮质脊髓束（corticospinal tract）和皮质延髓束（corticobulbar tract）起源于大脑皮层的广泛区域，包括额叶的初级运动皮层、前运动皮层、辅助运动区、扣带运动区，以及顶叶的体感皮层。这些通路的起源细胞包括皮层第五层的大、小锥体神经元（pyramidal neurons），其中包含Betz巨锥体细胞。尽管Betz细胞是初级运动皮层的标志性特征，但它们仅占这些通路神经元的极少部分（<5%），部分原因是它们仅存在于初级运动皮层，且即使在该区域，它们也仅占通路神经元的小部分。这些束路离开皮层进入内囊（internal capsule），随后经大脑脚（cerebral peduncle）穿过中脑，通过基底脑桥（basilar pons），最终在延髓腹侧表面形成锥体（pyramids）（见图9.13A）。皮质延髓轴突在脑干下行过程中离开束路，终止于各脑神经运动核。皮质脊髓纤维继续向尾侧延伸，在延髓最尾端区域，约85%的纤维交叉至对侧，随后在对侧外侧索（lateral funiculus）下行形成外侧皮质脊髓束（lateral corticospinal tract）。外侧皮质脊髓轴突终止于所有脊髓节段，主要投射至中间神经元，但也直接终止于运动神经元。未交叉的剩余轴突在同侧腹侧索（ventral funiculus）继续尾侧下行，形成属于内侧系统的腹侧皮质脊髓束（ventral corticospinal tract）。这些纤维中许多最终在终止的脊髓节段水平发生交叉（decussate）。
外侧皮质脊髓束（lateral corticospinal tract）在低等哺乳动物中是一个相对较小的传导束，但在灵长类（特别是人类）中无论在数量还是功能上都极为重要，其中包含超过100万条轴突。这个数字仍然只占大脑脚（cerebral peduncles）皮层传出纤维的很小比例，因为大脑脚内约有2000万条轴突。尽管如此，皮质脊髓通路对于手指精细独立运动的控制至关重要，因为单独的皮质脊髓束损伤通常会导致这种能力的永久性丧失，尽管其他运动能力常可随此类损伤恢复。事实上，在灵长类中，皮质脊髓束直接与运动神经元（motor neurons）形成的突触在控制手指肌肉的运动神经元中尤为普遍，这可能是进行独立、精细控制手指运动能力的基础。
皮质延髓束（corticobulbar tract）是从皮层投射到脑干颅神经运动核团的传导束，其分支结构与外侧和腹侧皮质脊髓束相似。例如，部分皮质延髓束交叉到对侧面神经核（facial nucleus）的下部（支配下半面部肌肉）和舌下神经核（hypoglossal nucleus）。该成分的皮质延髓束组织结构与外侧皮质脊髓束类似。其余皮质延髓束以双侧方式终止，包括双侧面部上部（前额）的双侧支配。这种上下脸部输入的特殊排列具有重要临床意义，例如当单侧下半面部肌肉受损时与单侧上下脸部肌肉同时受损的情况表现不同。
红核脊髓束
红核脊髓束（rubrospinal tract）在非灵长类中比灵长类更重要，起源于中脑被盖（midbrain tegmentum）红核（red nucleus）的大细胞部（magnocellular portion）。这些纤维在中脑交叉后，经脑桥和延髓下行，最终在脊髓中位于外侧皮质脊髓束的腹侧。与皮质脊髓纤维类似，它们优先影响控制远端肌肉的运动神经元。红核神经元接受来自小脑和运动皮层的输入，可实现这两个运动系统的活动整合。
内侧系统
腹侧皮质脊髓束（ventral corticospinal tract）与大部分皮质延髓束（corticobulbar tract）可归类为内侧系统通路。这些束路终止于脊髓内侧组中间神经元及脑干中的对应神经元。中轴肌群由这些通路控制。这些肌肉常通过双侧收缩提供姿势支撑或其他双侧功能，如吞咽或皱眉。
其他内侧系统通路起源于脑干。包括桥脑与延髓网状脊髓束（pontine and medullary reticulospinal tracts）、外侧与内侧前庭脊髓束（lateral and medial vestibulospinal tracts），以及顶盖脊髓束（tectospinal tract）。
桥脑与延髓网状脊髓束
桥脑网状结构（reticular formation）内侧区神经元发出桥脑网状脊髓束。该束沿脊髓腹索（ventral funiculus）下行，终止于同侧内侧组中间神经元。其功能是激活控制近端伸肌（维持姿势）的运动神经元。
延髓网状脊髓束起源于延髓内侧神经元，尤其是巨细胞网状核（gigantocellularis reticular nucleus）。该束通过腹外侧索（ventral lateral funiculus）双侧下行，主要终止于内侧运动神经元群相关的中间神经元。此通路的功能以抑制为主。
外侧与内侧前庭脊髓束
外侧前庭脊髓束起源于前庭外侧核（lateral vestibular nucleus，亦称Deiter’s nucleus），位于延髓与桥脑交界处周围。此束通过脊髓腹索同侧下行，终止于内侧运动神经元群相关的中间神经元。外侧前庭脊髓束激活支配肢体近端伸肌（对姿势控制至关重要）的运动神经元。此外，该通路通过激活接受伸肌Ia类输入的交互性Ia组中间神经元（reciprocal group Ia interneurons），抑制屈肌运动神经元。外侧前庭核的兴奋性输入来自半规管（semicircular canals）与耳石器（otolith organs），抑制性输入则来自小脑皮质前蚓部（anterior vermis）的浦肯野神经元（Purkinje neurons）。外侧前庭脊髓束的重要功能是协助头部角加速度与线加速度后的姿势调节。
内侧前庭脊髓束起源于前庭内侧核（medial vestibular nucleus）。该束沿脊髓腹索下行至颈段与中胸段，终止于内侧组中间神经元。前庭内侧核的感觉输入主要来自半规管。此通路介导头部角加速度引起的头部位置调节。
顶盖脊髓束
顶盖脊髓束起源于中脑上丘（superior colliculus）深层（上丘与下丘所在区域称为顶盖（tectum））。其轴突在中脑导水管周围灰质（periaqueductal gray matter）下方交叉至对侧，沿脊髓腹索下行，终止于上颈段脊髓内侧组中间神经元。顶盖脊髓束调控由视觉、听觉与躯体刺激引发的头部运动。
单胺能（monoaminergic）通路
除外侧和内侧系统外，还有一些组织特异性较低的系统从脑干下行至脊髓。其中包括几种以单胺类物质作为神经递质的通路。
蓝斑（locus coeruleus）和蓝斑下核（nucleus subcoeruleus）是位于脑桥头端的核团，由含去甲肾上腺素（norepinephrine）的神经元组成。这些核团广泛投射至整个中枢神经系统（CNS），其向脊髓的投射通过外侧索下行。它们的末梢终止于中间神经元和运动神经元。该通路的主要效应是抑制性的。
延髓的中缝核（raphe nuclei）也广泛投射至整个中枢神经系统，并形成数条中缝-脊髓通路。在运动功能方面，其向前角的投射可能增强运动活动。
总体而言，单胺能通路通过改变脊髓环路（包括反射弧）的反应性发挥作用。这种方式可诱导兴奋性的广泛变化，而非引发离散运动或行为的特定改变。
下行运动通路损伤导致的运动缺陷
人类的运动障碍可能由通过内囊的传出性大脑皮层纤维损伤引起。这种情况可能发生于内囊供血中风后。尽管存在命名不当，但由此产生的障碍常被称为锥体束综合征（pyramidal tract syndrome）或上运动神经元疾病。该疾病的特征性运动变化包括：（1）相位性和紧张性牵张反射增强（痉挛）；（2）肌力减弱，通常累及远端肌肉（尤其手指肌）；（3）病理性反射，包括巴宾斯基征（Babinski sign）（轻划足底时出现拇趾背屈与其他趾扇形展开）；（4）浅反射（如腹壁反射和提睾反射）减弱。值得注意的是，若仅皮质脊髓束受损（如延髓锥体病变时），上述大部分体征会显著减轻或消失。此时最突出的缺陷是对侧远端肌力减弱（尤其手指肌）和巴宾斯基征阳性。痉挛不会发生，反而肌张力可能实际降低。显然，痉挛的出现需要其他通路（如网状脊髓束）的功能紊乱，这可能在皮质对这些通路的起源核团（脑干核）的下行调控丧失后发生。
内侧系统通路中断产生的效应与皮质脊髓束损伤截然不同。内侧系统损伤的主要缺陷包括姿势肌张力初期降低和翻正反射丧失。长期效应包括运动障碍和频繁跌倒。然而，手部对物体的操作能力完全正常。
去大脑（decerebrate）标本
去大脑制备（decerebrate preparation）对于实验研究不同下行通路如何与脊髓回路相互作用具有重要意义。手术去大脑化可通过中脑横断（通常选择在丘间水平）或阻断该区域的供血血管实现。后者还会导致小脑前蚓部（anterior vermis）的损伤，这是重要的区别特征。丘间横断会中断部分下行通路（如起源于大脑皮层的通路），而其他通路（如起源于脑干的通路）则保持完整。
但需注意，皮质脊髓束（corticospinal tract）仅是皮层下行纤维的一个组成部分。许多其他皮层纤维投射至脑干各区域，包括内侧下行通路起源核团。这些皮层控制系统的缺失会导致完整下行通路的活性改变。受影响的动物因此表现出肌张力亢进（hypertonia）、部分脊髓反射（如屈曲反射（flexion reflex））被抑制，而其他反射（如牵张反射（stretch reflex））被增强，这种状态称为去大脑僵直（decerebrate rigidity）。去大脑动物会维持一种被称为"夸张站立（exaggerated standing）"的姿势。脑干损伤的人类患者也可能出现去大脑状态，其反射特征与动物制备模型高度相似。
网状结构（reticular formation）下行控制的缺失会导致脑桥网状脊髓通路（pontine reticulospinal pathway）活性增强，而延髓网状脊髓通路（medullary reticulospinal pathway）活性降低。这种活性变化分别通过增加兴奋性和减少抑制性（去抑制（disinhibition））作用于运动神经元，从而解释观察到的僵直现象。值得注意的是，切断背根可缓解这种肌张力亢进，表明网状脊髓束主要作用于γ运动神经元（γ motor neurons）。这是因为γ运动神经元活性通过增强肌梭敏感性改变肌肉刚度，进而引起Ia类和II类传入纤维（group Ia and group II afferent fibers）活性增强——这些纤维通过背根进入脊髓以支配α运动神经元（α motor neurons）。
当通过血管阻断实现去大脑状态时，由于小脑前蚓部浦肯野神经元（Purkinje neurons）损伤（该神经元是外侧前庭核（lateral vestibular nucleus）的主要抑制性投射源），外侧前庭脊髓束（lateral vestibulospinal tract）会过度活跃。此时切断背根不会消除这种肌张力亢进，表明外侧前庭脊髓束主要通过直接作用（单突触或经中间神经元）于α运动神经元实现其功能。
脑干对姿势和运动的控制
从去大脑动物表现出的伸肌张力亢进和阶段性牵张反射增强可明显看出，起源于脑干的运动控制通路具有重要作用。特定脑干系统已被确认参与调控姿势和运动。脑干回路还关键性地参与眼球运动控制，相关回路将在本章末尾单独讨论。
姿势反射
当头部移动或颈部弯曲时会引发多种反射机制。姿势反射可分为三类：前庭反射（vestibular reflexes）、紧张性颈反射（tonic neck reflexes）和翻正反射（righting reflexes）。负责这些反射的感觉受体包括受头部运动刺激的前庭器官（vestibular apparatus）（见第8章）以及颈部的牵张感受器。
前庭反射是一类姿势反射。头部旋转会激活半规管（semicircular canals）的毛细胞（见第8章）。除了引发眼球运动外，前庭核接收的感觉输入还会导致姿势调整。这些调整通过外侧前庭脊髓束（lateral vestibulospinal tract）、内侧前庭脊髓束（medial vestibulospinal tract）和网状脊髓束（reticulospinal tracts）传递至脊髓的指令介导。外侧前庭脊髓束激活维持姿势的伸肌。例如，若头部向左旋转，左侧的姿势支撑会增强。这种增强的支撑可防止个体在头部持续左转时向左侧倾倒。左耳迷路功能丧失的患者容易向左侧跌倒；相反，左耳迷路受刺激（如炎症）的患者则倾向右侧跌倒。内侧前庭脊髓束引起颈部肌肉收缩以对抗诱发运动（前庭颈反射，vestibulocollic reflex）。
头部倾斜还会改变前庭器官耳石器（otolith organs）中单个毛细胞的线性加速度。毛细胞活动的变化可引发眼球运动和姿势调整。例如，当四足动物（如猫）将头部和身体前倾时（未弯曲颈部，因此不引发紧张性颈反射），前肢会伸展而后肢屈曲。这种前庭作用有助于使身体恢复原有姿势。相反，若四足动物将头部和身体后仰（未弯曲颈部），前肢会屈曲而后肢伸展。耳石器也参与前庭放置反应（vestibular placing reaction）。当动物（如猫）坠落时，椭圆囊（utricles）的刺激会引发前肢伸展以准备着陆。
紧张性颈反射是另一类姿势反射。这些反射由颈部肌肉中的肌梭（muscle spindles）激活。颈部肌肉的肌梭密度是全身最高的。若颈部弯曲（未伴随头部倾斜），颈部肌梭会绕过前庭系统直接引发紧张性颈反射。当颈部伸展时，前肢伸展而后肢屈曲；颈部屈曲时则产生相反效果。需注意这些效应与前庭系统引发的效应相反。此外，若颈部向左弯曲，左侧肢体的伸肌收缩增强，右侧肢体的屈肌放松。
第三类姿势反射是翻正反射。这些反射可将头部和身体的异常位置恢复正常。参与翻正反射的感受器包括前庭器官、颈部牵张感受器以及体壁的机械感受器。
脑干对运动的控制
脊髓的中枢模式发生器
如前所述，脊髓包含作为运动中枢模式发生器（central pattern generators, CPGs）的神经回路。这些CPG回路能产生非常规律的节律性输出，这种输出是刻板行为（如行走）的特征。然而，真实环境中的不规则性常需要对这些刻板输出进行调整（例如当行走中发现前方地面有坑洞时，可以延长腿部前摆动作越过坑洞，踏在后方坚实的地面上）。
这种调整可能源于脊髓的感觉输入。如图9.10所示，刺激外周神经中的FRA纤维可引起运动模式的相位偏移。调整也可能来自先前讨论的运动通路下行指令。在这种情况下，大脑可利用感觉数据（如视觉信息）对CPG活动进行预期性调整，从而避开潜在障碍物。此外，人类可以自主控制CPG的激活或关闭（即有意识地决定何时开始或停止行走）。
脊髓CPGs的这种自主调控起源于大脑皮层。然而，皮层对运动的大部分影响似乎是通过投射到脑干"运动区"（locomotor regions）来介导的。运动区可定义为受刺激时能引发持续运动的脑区。
脑干运动区
脑干存在多个此类运动区，分布于从丘脑底部到延髓的不同层面，并相互连接。最著名的是中脑运动区（midbrain locomotor region），被认为负责组织启动运动的指令。它位于中脑下丘水平。起源于运动皮层的自主活动可通过皮质延髓束投射至中脑运动区来触发运动。这些指令通过网状结构中继，再经网状脊髓束传至脊髓。
大脑皮层的运动控制
本章至此主要强调了反射和相对自动化的运动类型。现在我们将讨论更复杂的、目标导向的自主运动的神经基础。这类运动在重复时经常表现出可变性，且多由认知过程而非直接响应外部刺激而启动，因此需要大脑皮层运动区的参与。
首先，考虑产生自主运动所需的条件。例如，当执行手臂的伸展运动时，必须首先识别目标（或目的）并在外部空间中定位其位置。接着，需要基于手臂（尤其是手部）相对于目标的内部表征来确定肢体运动轨迹。最后，必须计算出生成预期轨迹所需的一组力。这一过程通常被视为不同坐标系之间的一系列转换。例如，视觉识别的目标位置在视网膜拓扑空间（retinotopic space）中被测量，但其位置在外部或世界空间中被感知（即静止目标的位置被感知为稳定状态，即使眼球运动导致目标在视网膜上的成像位置发生改变）。随后，轨迹计算将涉及以身体或手部为中心的系统，最终力的计算必须基于肌肉参考框架完成。
• 图9.14 额叶皮层的运动区。A和B，大脑半球的侧面观与内侧观，显示主要皮质运动区。FEF，额叶眼动区；PMA，前运动区；SMA，辅助运动区。B图插图为扣带沟壁结构，包含扣带运动区（CMAs）。括号内数字为扣带运动区的布罗德曼分区编号。C，运动区间连接示意图。
这些步骤构成线性序列，传统观点认为不同层级的运动区执行连续步骤。例如，运动的靶标被认为是通过顶叶后部大脑皮层（posterior parietal cerebral cortex）（图9.14A）中感觉信息的整合来识别的。该信息随后传递至辅助运动区和前运动区（premotor area），在此形成运动计划并转发至初级运动皮层（primary motor cortex），其活动与最终执行阶段（如产生适当力度）相关。运动皮层随后通过前文讨论的下行通路向脊髓和脑干运动核团传递指令。
皮层运动区
尽管有大量证据支持皮层运动系统通过层级结构产生自主运动的观点，但最新数据表明各运动区之间通过并行分布式网络而非严格层级进行信息传递（参见图9.14C）。例如：每个皮层运动区都对下行运动通路做出独立的重要贡献——初级运动皮层（primary motor cortex）仅提供额叶来源的皮质脊髓束中约半数纤维。此外，各运动区之间均存在双向连接，后文所述的单神经元记录研究结果提示每个运动区都在运动计划和执行的多个阶段发挥作用。这一争论构成了下文讨论的主题之一，因为关于分布式网络与层级组织的不同观点之争已持续数十年，并可能在未来一段时间内继续存在。
皮层运动区
大脑皮层运动区最初通过电刺激实验定义：施加到皮层的电刺激可诱发离散的对侧运动。然而，当其他皮层区域接受更高强度刺激时也可诱发运动。基于这些观察，运动区被定义为能以最低刺激强度诱发运动的区域。除电刺激研究外，电生理记录、解剖学实验、现代人类影像学研究结果以及损伤后观察均表明，大脑皮层的多个"运动"相关区域参与其中，包括：中央前回（precentral gyrus）的初级运动皮层、紧邻其吻侧的前运动区（premotor area）、半球内侧的辅助运动皮层（supplementary motor cortex），以及位于额叶扣带沟（cingulate sulcus）壁的三个扣带运动区（cingulate motor areas）（参见图9.14）。其他脑叶也存在与眼球运动特异性相关的皮层区域（参见"眼球运动"章节）。
皮层运动区的躯体拓扑组织
初级运动皮层
初级运动皮层
初级运动皮层（primary motor cortex）可定义为通过最小强度电刺激即可诱发运动的皮层区域。它在细胞构筑上基本对应于Brodmann第4区（见图10.3）。在人类中，该区域位于中央前回的组成部分——形成中央沟吻侧壁的区域以及该回顶端的尾侧半。根据早期采用表面电刺激的定位研究，运动皮层被描述为具有与体感皮层相似的地形学组织模式：面部、躯干和上肢的代表区位于大脑外侧表面，其中面部位于最下方（靠近外侧裂），躯干位于最上方，而下肢主要位于半球内侧面。这种躯体定位组织常以人体模型图或称为运动小人图（motor homunculus）的图形形式呈现（图9.15B）。小人图中各身体部位的变形程度大致反映了皮层对其运动控制的支配范围。这种简单的小人图模型与传统观点高度吻合，即运动皮层是运动指令在皮层的最后处理阶段，并将运动指令中继传递至脊髓。
从1960-1970年代开始，定位研究开始采用插入皮层深层（即输出层）的微电极进行刺激。这种被称为皮层内微刺激（intracortical microstimulation）的技术能以更低刺激强度诱发运动，从而实现了更高分辨率的运动皮层定位。研究显示其地形学组织远比既往想象的复杂（见图9.15C）。研究发现，每个关节的运动均可由分布于运动皮层广泛区域内的多个非连续柱状结构所诱发，这表明控制特定关节运动的细胞柱会与调控其他关节运动的细胞柱相互交织。总之，运动皮层可能具有对应于肢体或头面部的大型分区，但在每个分区内部，控制该身体部位肌肉的细胞柱呈现复杂的混合分布模式。
这种细胞柱的混合分布具有功能意义：大多数运动需要整个肢体的肌肉协调运作，而皮层内的连接主要呈现局部化特征（即连接不同细胞柱的轴突侧支主要局限在其起源柱周围1至3{\cdot}\mathrm{mm}范围内）。当控制某个关节运动的多个细胞柱与其他关节控制柱相互混合时，多关节运动就能以协调方式发生。
补充运动区
补充运动区（supplementary motor area, SMA）主要位于大脑半球的内侧面，紧邻初级运动皮层前方，对应于布罗德曼6区（Brodmann area 6）的内侧部分（见图9.14）。它被细分为两个区域：较靠后的部分称为SMA本体（SMA proper），前部称为前SMA（pre-SMA）。SMA本体与之前提到的其他运动区类似：包含完整的躯体定位图谱（somatotopic map），参与构成皮质脊髓束，并与其他运动区相互连接。相比之下，前SMA与其他运动区和脊髓的连接较弱，而是与前额叶皮层（prefrontal cortex）相连接。
刺激研究结果表明，与运动皮层类似，SMA中存在完整的躯体定位图谱。刺激SMA可诱发单一关节的孤立运动，这与刺激运动皮层后的反应相似，但刺激需要更高的强度和更长的持续时间；此外，诱发的运动通常比运动皮层刺激引发的更为复杂。不过，对初级运动皮层进行较长时间的刺激也可诱发复杂的、看似有目的的运动序列，因此二者的区别并非绝对。另外，刺激SMA可能产生发声或复杂的姿势运动，但也可能产生相反的结果：即暂时中止运动或语言。切除补充运动皮层会延缓对侧肢体的运动，并可能导致对侧手部出现强迫性抓握动作。
• 图9.15 运动皮层肌肉拓扑组织的传统观点与现代观点。A，大脑外侧面观，显示经过中央前回（初级运动皮层）的切面方向，该切面对应于B所示的断面。B，运动皮层肌肉拓扑的经典图示（"肌肉小人"）。C，运动皮层组织的现代观点，显示每个身体部位在多个离散区域被重复表征。
• 图9.16 运动皮层肌肉拓扑图的动态特性。抑制性GABA能中间神经元在塑造每个运动皮层区域电刺激引发的运动反应中起重要作用。A，两个初级运动皮层区域间兴奋性连接及单个区域内局部抑制性神经元的示意图。B，大鼠脑示意图，显示施加电刺激诱发运动的运动皮层（MC）区域（Vib区）和施加荷包牡丹碱阻断GABA能突触的区域（FL区）。FL，前肢；Vib，触须。C，前肢肌电图记录显示Vib区刺激在荷包牡丹碱应用前、应用期间及洗脱后的反应。注意Vib刺激在所有条件下均诱发触须运动，但仅当FL区抑制性中间神经元被阻断时才诱发前肢运动。（数据来自Jacobs K, Donoghue J. Science 1991;251:944）
前运动区
该区域位于初级运动皮层吻侧，占据大脑外侧表面的布罗德曼6区（见图9.14）。其与初级运动皮层的区别在于诱发运动需要更高的刺激强度。前运动区被划分为两个功能不同的亚区：背侧部和腹侧部。与运动皮层类似，两个亚区均具有躯体拓扑组织结构，并共同参与皮质脊髓束的构成。背侧部（PMd）包含相对完整的下肢、躯干、上肢和面部表征图。相比之下，腹侧部（PMv）的躯体定位图主要局限于上肢和面部，仅有少量下肢表征。因此PMv似乎专门负责上肢和头部运动的控制。两个亚区的第二个区别在于PMd包含大量近端肌肉表征，而PMv则有大量远端肌肉表征。
扣带运动区
这些运动区位于扣带沟内，大致与辅助运动区（SMA）处于相同的前后水平。
扣带运动区有三个（背侧部、腹侧部和吻侧部；见图9.14B）。每个区域均包含躯体定位图并参与皮质脊髓束的构成。这些区域的微电流刺激可诱发与运动皮层刺激相似的运动，但同样需要更高的刺激强度。运动过程中的单细胞记录显示，扣带运动区神经元的自发电活动与运动准备和执行相关。
皮层运动区的连接
【SMA未明确首次出现英文全称，原文为辅助运动区（应对应supplementary motor area）】
皮层运动区的神经活动
个体运动皮层神经元在运动控制中的作用已在训练过的猴类中得到广泛研究。在这些实验中，当猴类根据感觉提示立即执行预先习得的简单动作（如腕关节屈曲）时，会记录初级运动皮层（primary motor cortex）神经元的放电活动（图9.17）。研究发现，运动皮层神经元的放电频率会在动作启动前发生改变，且这种变化的起始时间与反应时间（即从提示到动作开始的时间）相关。此外，在此类任务中，运动皮层神经元放电的变化常与产生动作的肌肉收缩力及其变化速率相关，而非与关节位置相关。这些发现表明，这些神经元参与运动计划与执行的最终阶段，这与皮层运动区的层级化观点一致。
然而，即使在早期实验中，某些运动皮层神经元的放电频率似乎与更早期的计划阶段相关。此外，当训练猴子在提示后暂时抑制动作时，尽管没有任何运动发生，运动皮层神经元的放电频率仍会发生变化。这种"设定相关（set-related）"活动已在多种其他任务中得到充分证实，表明运动皮层活动可能与皮层其他运动区的活动共同参与早期的计划阶段。这也提示可能需要其他（可能是皮层下）系统来产生触发信号以启动运动。
在后续研究中，研究者使用了一种任务范式：训练动物操纵操作杆（manipulandum）（带有手柄和末端小圆圈的装置）来捕获面前表面上的发光目标（图9.18A）。这些实验表明，运动皮层手臂区域的神经元放电频率会随多个不同方向的运动而变化，因此可被描述为具有广泛调谐（broadly tuned）特性（见图9.18B）。即某个对特定方向（称为偏好方向）运动表现出最大放电增加的神经元，对其他方向的运动也会表现出较小程度的增加甚至减少（见图9.18C）。此外，不同神经元的偏好方向在360度的可能运动方向上呈均匀分布。
这些结果意味着单个神经元可能参与大多数手臂运动，但也提出了新问题：如何通过这种广泛调谐的神经元实现精确运动？有观点认为，虽然单个神经元活动的变化不能精确预测或指定即将发生的运动方向，但神经元群体的整体活动可以确定运动方向。为验证这一假设，研究者建立了将每个神经元活动表示为向量（见图9.18D）的模型。每个神经元向量的方向由其偏好方向决定，特定运动中向量的大小与运动前该神经元的放电频率成正比。来自数百个神经元的个体神经元向量（见图9.18D_{\circ}黑线）通过向量相加可获得结果向量或群体向量（见图9.18D_{\circ}红线），该向量能准确预测即将发生的运动方向。
其他皮质运动区的活动
前运动区（premotor area）和辅助运动区（supplementary motor area）的神经元活动在许多方面与初级运动皮层（primary motor cortex）相似。这些区域的神经元也表现出与即将发生的运动相关的活动，且其活动与位移、作用力、目标位置等运动参数相关——这与初级运动皮层活动的情况类似，这符合皮质运动区分布式网络的观点。然而各区域间似乎也存在差异，尽管这些差异可能更多是量级而非本质上的。例如，在前运动区和辅助运动区中，表现出与早期运动计划阶段相关活动的神经元比例要高于初级运动皮层中的同类神经元。此外，前运动区和辅助运动区可通过其功能偏好的不同进行区分：前运动区更显著参与由外部线索触发的运动（如图9.18所示任务），而辅助运动区更多参与由内部线索（即自我发起）引发的运动。研究还表明，这些区域各自都具有功能异质性（functionally heterogeneous），因此可进一步细分；不过这些细节已超出本文讨论范围。
• 图9.17 A，记录猴子执行训练过的腕部运动时皮质脊髓神经元（corticospinal neuron）活动的实验装置。使用刺激电极诱发逆向动作电位（antidromic spikes），用于特异性识别运动皮层神经元为锥体束神经元（pyramidal tract neuron）。猴子执行运动时不施加刺激。B，当屈肌需要产生力量时（无负载和屈肌负载条件），锥体束神经元（PTN）在运动开始或肌电活动（EMG）出现前就产生放电。此外，其放电频率与所需屈肌力量水平相关。在伸肌负载条件下，屈肌无需收缩即可产生运动，因此该PTN无活动。顶部轨迹显示腕部运动，三种实验条件下的运动轨迹完全相同。因此该细胞的活性涉及编码力量大小和方向，而非位移。【基于Evarts及其同事的工作。编辑注：本图基于EV Evarts的开创性研究；具体而言，EV Evarts, Relation of Pyramidal Tract Activity to Force Exerted During Voluntary Movement, J Neurophysiol, 1968, 31 (1):14-27. 类似图示可见于教材《Principles of Neural Science》第5版Kandel等著图37-12。】
小脑的运动控制
小脑在运动控制中作用的概述
20世纪早期，科学家们发现小脑损伤会导致运动协调障碍。即小脑的损伤或缺失不会导致瘫痪、感觉丧失或无法理解任务性质，而是导致无法执行流畅协调的运动。尽管有这些早期发现，要明确小脑在运动中的具体作用仍具挑战，尽管矛盾的是我们对其看似简单的解剖和生理机制已有相对详细的了解。小脑在自主运动和某些反射运动的学习与执行中起关键作用。本节将首先探讨小脑损伤的行为学效应，继而描述其内在连接及与中枢神经系统其他部分的联系，最后讨论其活动特性。
• 图9.18 A，实验装置中猴子握住机械臂远端捕捉光点。猴子首先捕捉中心光点，然后捕捉周围被点亮的任意目标。B，散点图显示一个运动皮层细胞在八个不同方向运动时的活动。T表示目标灯亮起时间，M表示运动开始时间（位于每个散点图的中心）。散点上的每个标记代表运动皮层细胞的动作电位，每行标记显示单次试验中细胞的活性。C，余弦函数拟合放电水平与运动方向的关系。水平条表示无即将运动时的平均自发放电频率。注意对于大多数运动方向，运动前即刻和运动期间的活性较基线有显著变化。
• 图9.18（续） D，运动皮层群体活动的矢量模型。黑线代表单个细胞矢量。当针对特定运动方向进行矢量合成时，最终的群体矢量（红色）基本指向即将发生的运动方向。（B和C修改自Georgopoulos AP, JF Kalaska, R Caminiti, JT Massey. J Neurosci. 1982;2:1527。D修改自Georgopoulos AP, JF Kalaska, R Caminiti, JT Massey. 见：Massion J, Paillard J, Schultz W, Wiesendanger M, 编. Experimental Brain Research Series, vol. 7: Neuronal Coding of Motor Performance. Berlin: Springer-Verlag; 1983。）
小脑损伤的行为后果
小脑单侧损伤会导致同侧身体运动功能障碍。这反映了运动指令到达脊髓运动神经元之前，大多数小脑相关输出通路经历的两次交叉。第一次交叉发生在小脑传出通路投射至对侧丘脑，继而从丘脑投射至同侧运动皮层。第二次交叉发生在运动皮层下行的运动通路中，约85%的轴突在延髓下部通过锥体交叉完成交叉。简而言之，小脑通过丘脑投射至对侧运动皮层，而皮质脊髓通路则在延髓下部再次跨越中线。
小脑损伤导致的特定运动缺陷取决于受影响最严重的小脑功能区域。若绒球小结叶（flocculonodular lobe）受损，其运动障碍与前庭器官损伤类似，包括平衡困难和步态异常，常伴有眼震。若小脑蚓部(vermis)受累，躯干运动将受影响；若中间区或半球受损，则出现肢体运动障碍。肢体受累部位取决于损伤区域：半球损伤对远端肌肉的影响比旁蚓部损伤更为显著。
小脑疾病的运动功能障碍类型
小脑疾病中的运动功能障碍类型包括协调性障碍、平衡障碍和肌张力异常。这种协调性缺失称为共济失调（ataxia），常表现为步态笨拙，或伴有辨距不良（dysmetria）——一种因运动方向和力量控制错误导致肢体无法流畅移动到目标位置的状态。共济失调也可表现为轮替运动障碍（dysdiadochokinesia），即手部快速交替旋前旋后动作难以执行。当尝试进行复杂运动时，会出现运动分解（decomposition of movement），此时运动以一系列离散步骤完成而非流畅连贯的动作序列。当受试者被要求触碰目标时，会出现意向性震颤（intention tremor），受累肢体（手或足）随着接近目标而震颤幅度逐渐增大。
平衡受损时可见姿势稳定性下降，患者倾向于向患侧倾倒，行走时可能采用宽基底步态（步态共济失调）。言语可能缓慢且含糊不清，此类缺陷称为断续性言语（scanning speech）。除前蚓部病变外（见前文去大脑强直章节），肌张力可能减退（hypotonia）；张力减退可能伴随钟摆样膝跳反射（pendular knee jerk）。通过叩击髌腱诱发股四头肌的阶段性牵张反射可证实此现象：由于肌张力减退，下肢会持续摆动数次，而正常人仅会出现高度衰减的振荡。
这些障碍部分反映了肌肉收缩的时间协调异常。通过肌电图（EMG）评估可见，正常肢体运动涉及主动肌与拮抗肌活动的精确时序激活模式：初始主动肌激活后出现拮抗肌激活，最后再次出现主动肌激活。小脑损伤时，这些激活的相对时序出现异常（图9.19）。
小脑的组织结构
小脑（"little brain"）位于颅后窝，紧贴枕叶下方，通过三对小脑脚（上脚、中脚、下脚）与脑干相连。从外表面仅可见小脑皮质。皮质深部为小脑白质，白质内埋藏有四对深部小脑核团：从内侧到外侧依次为顶核（fastigial nucleus）、球状核（globose nucleus）、栓状核（emboliform nucleus）和齿状核（dentate nucleus）。中间两核团常被统称为中间核（interpositus nucleus）。大部分小脑传入纤维通过下脚和中脚进入皮质及核团，而小脑核团的传出纤维则通过上脚离开。
• 图9.19 小脑活动受阻会改变运动过程中肌电图反应的时序。通过冷却小脑核团暂时阻断其功能，观察猴子肘关节运动时发现：小脑功能缺失会破坏主动肌与拮抗肌肌电激活的时序关系，导致肢体异常加速和运动轨迹超过目标位置（运动过度，hypermetria）。（数据来自Flament D, Hore J. J Neurophysiol 1986;55:1221.）
小脑皮质的分区
小脑皮质可细分为三个吻尾方向排列的叶：前叶（anterior lobe）、后叶（posterior lobe）和绒球小结叶（flocculonodular lobe）（图9.20A）。小脑各叶被两条主要裂——原裂（primary fissure）和后外侧裂（posterolateral fissure）——分隔，每个叶由一个或多个小叶（lobule）组成。小脑皮质的每个小叶由一系列横向折叠的结构构成，称为小叶（folia）。
小脑皮质还可划分为纵向分区（见图9.20B,C）。最初，小脑皮质被分为三个这样的分区：中线上的蚓部（vermis）、蚓部两侧的旁蚓部（paravermis）以及外侧的小脑半球（lateral hemispheres）。基于髓鞘构筑学（白质中轴突束的分布模式）和特定分子（如aldolase C）的表达模式，这些区域现已被进一步细分为更多分区。尽管这些分区的功能意义尚未完全明确，但小脑传入纤维（尤其是橄榄小脑系统）的拓扑结构与这些分区精确对应，且小脑浦肯野神经元（Purkinje neurons）的感受野特性也倾向于遵循这一组织模式。
小脑皮质
传入系统
小脑传入系统主要有两类：苔藓纤维（mossy fibers）和橄榄小脑纤维（olivocerebellar fibers）。苔藓纤维因其在小脑皮质中的独特形态而得名：当苔藓纤维穿行于颗粒层时，其轴突偶尔会膨大并发出许多短而扭曲的细分支。这些结构称为玫瑰花结（rosettes），是这些纤维与颗粒细胞层神经元之间的突触接触点。苔藓纤维起源于多个部位，包括脊髓（脊髓小脑通路）、背柱核、三叉神经核、网状结构内的核团、前庭初级传入纤维、前庭核、小脑核以及基底脑桥核。特定苔藓纤维投射模式的细节超出本章范围，但以下几点值得注意：
- 苔藓纤维具有兴奋性。
- 它们传递来自身体和头部的本体感觉与外感觉信息，并至少在小脑皮质形成两个躯体拓扑图谱。然而，与运动皮层类似，这些图谱是"断裂"的——相邻身体区域未必对应小脑皮质的相邻区域，而是形成复杂的镶嵌模式。
- 传递前庭信息的苔藓纤维仅投射至绒球小结叶和蚓部区域。因此，绒球小结叶和蚓部区域有时被称为前庭小脑（vestibulocerebellum）。不过，这些区域也接收其他多种信息（如视觉、颈部、动眼相关），故其功能不仅限于前庭处理。
- 苔藓纤维的最大来源是基底脑桥核，其负责中继来自大部分大脑皮层区域的信息。
- 苔藓纤维通过所有三对小脑脚进入小脑，在投射至皮质前会发出侧支纤维至小脑核。
总之，通过苔藓纤维系统，小脑接收多种感觉信息，以及下行运动相关和认知相关的活动。
与苔状纤维（mossy fibers）的多样性起源不同，所有橄榄小脑纤维（olivocerebellar fibers）均起源于单一核团——位于延髓吻端、锥体背外侧的下橄榄核（inferior olivary nucleus）。几乎所有橄榄核神经元都是投射神经元，其轴突离开核团后不分出侧支，而是穿过脑干主要通过小脑下脚进入小脑。与苔状纤维类似，橄榄小脑轴突具有兴奋性，当它们穿过小脑白质向皮质上行时，会向小脑核发出侧支。在小脑皮质中，橄榄小脑轴突可与篮状细胞（basket cells）、星状细胞（stellate cells）和高尔基细胞（Golgi cells）形成突触，但与浦肯野神经元（Purkinje neurons）形成特殊的突触连接方式。每个浦肯野神经元仅接受单个爬行纤维（climbing fiber）的输入，该纤维沿其近端树突"攀爬"并形成数百个兴奋性突触（橄榄小脑轴突的末梢部分即被称为爬行纤维）。相反，每个橄榄轴突可分支形成约10-15根爬行纤维。
下橄榄核作为独特的脑区具有以下特征：首先，其神经元几乎全为投射细胞，因此细胞间几乎不存在局部化学突触相互作用；其次，橄榄神经元通过缝隙连接（gap junctions）实现电耦合——事实上，下橄榄核是中枢神经系统中神经元缝隙连接密度最高的区域。这种结构特征使橄榄神经元能够产生同步化活动并传递至小脑。下橄榄核的传入纤维可分为两大类：来自中枢神经系统多区域的兴奋性传入，以及来自小脑核和部分脑干核团的抑制性GABA能传入。尽管这些传入纤维可调节橄榄神经元的放电频率（这是大多数脑区的典型特征），但橄榄神经元的膜特性将这种调节限制在数赫兹范围内，并赋予其作为内在振荡器的潜能。橄榄传入活动不仅调节放电频率，还可改变神经元间电耦合的效率，从而改变传递至小脑的同步活动模式。此外，传入活动可能调节橄榄神经元振荡电位的表达。因此，下橄榄核的组织结构似乎专门用于产生小脑皮质整体的同步活动模式。这些模式的功能意义仍存争议，有假说认为它们为同步不同肌肉组合的运动指令提供门控信号。
• 图9.20 小脑的解剖学分区。A，小脑皮质折叠成叶（lobe）、小叶（lobule）和叶片（folia）的中矢状面示意图。B，雪貂小脑皮质展开示意图，显示早期将小脑皮质分为三个纵向区（蚓部、旁蚓部和半球区）及进一步细分为七个纵向带(A,B,C_{1},C_{2},C_{3},D_{1},D_{2})的划分方案。每个半球的浅黄色区域表示数据缺失区域。
• 图9.20续 C，展开的大鼠小脑示意图，显示其根据分子标记染色划分的20余个亚区：本例使用斑马蛋白II（醛缩酶C）染色。小脑右半部字母和数字表示斑马蛋白分区编号。中央罗马数字表示小脑小叶。左半球名称标注小脑小叶名称。C P，锥体连合；C r，脚；D P F L，背侧副绒球；F L，绒球；P a r，旁正中；pf，原裂；Sim，单小叶；VPFL，腹侧副绒球。（B图修改自Voogd J. In: Llinás RR, ed. Neurobiology of Cerebellar Evolution and Development. Chicago: American Medical Association; 1969. C图由Izumi Sugihara博士提供）
• 图9.21 小脑皮质三维观，显示部分小脑神经元。左侧切面沿小叶长轴，右侧切面与长轴垂直。BC，篮状细胞；BCA，篮状细胞轴突；C F，攀缘（橄榄小脑）纤维；C N，小脑核细胞；GC，高尔基细胞；Glm，突触小球；G r C，颗粒细胞；M F，苔藓纤维；PC，Purkinje细胞；P F，平行纤维；SC，星形细胞。
小脑皮质的细胞成分与传出纤维
尽管在脊椎动物进化过程中经历了极大扩展，小脑皮质的基本解剖结构几乎保持恒定。其神经回路也是脑区中最具规律性和模式化的代表。小脑皮质包含八种不同类型的神经元：Purkinje细胞、高尔基细胞、颗粒细胞、Lugaro细胞、篮状细胞、星形细胞、单极刷细胞和烛台细胞。除主要分布于接受前庭输入小脑区的单极刷细胞外，这些神经元存在于小脑皮质所有区域。在高等脊椎动物小脑皮质的三个分层中分布着这八种神经元类型（图9.21）。
最外层为分子层，包含星形细胞和篮状细胞。最深层是颗粒细胞层，该层具有中枢神经系统最高的细胞密度，包含颗粒细胞、高尔基细胞和单极刷细胞。分隔分子层与颗粒细胞层的是由Purkinje神经元胞体构成的Purkinje细胞层，这些胞体排列成单细胞厚度的片层结构。烛台细胞也位于此层。Lugaro细胞稍深在，位于颗粒细胞层上缘。
小脑皮质唯一的传出投射起源于Purkinje神经元，因其突触前终末释放GABA而具有抑制性。Purkinje神经元也发出局部投射。其余七种细胞类型均为局部中间神经元。其中，星形细胞、篮状细胞、高尔基细胞、Lugaro细胞和烛台细胞同为GABA能的抑制性中间神经元，而颗粒细胞和单极刷细胞则为谷氨酸能的兴奋性中间神经元。
小脑皮质的微环路
小脑皮层内大多数神经元的树突(dendrites)、轴突(axons)和突触连接模式都按照小叶(folium)的横轴(短轴)和纵轴(长轴)进行组织（图9.21）。在蚓部，小叶走向与矢状面垂直，这些轴分别位于矢状面和冠状面。在半球区域，小叶相对于矢状面呈不同角度定向，这种对应关系消失，此时必须以小叶的局部轴作为参考轴。
浦肯野神经元树突树是中枢神经系统(CNS)中最大的。它从浦肯野细胞层穿过分子层延伸到小脑皮层表面，沿小叶横轴延伸数百微米，而在纵向上仅延伸30至40微米，使其呈现扁平外观。其形态类似一棵平躺的树，位于与小叶横轴平行的平面内。因此，一组浦肯野树突树可以被想象成一叠薄饼，这叠薄饼沿着小叶的纵轴排列。
• 图9.22 小脑皮层的功能连接。由于小脑皮层回路的几何结构，细胞成分的功能连接可以通过电生理学方法确定。本图展示了一个经典实验范式：刺激小脑皮层会激活一束平行纤维（橙色）。沿此束排列的星状细胞、篮状细胞（绿色细胞）和浦肯野细胞（PCs；橙色细胞）的电位记录显示它们被平行纤维兴奋。相反，位于该束两侧的浦肯野细胞由于平行纤维与星状细胞、篮状细胞轴突的垂直空间关系，仅接收抑制信号（紫色区域）。
分子层中间神经元（星状细胞和篮状细胞）的树突树取向与浦肯野细胞树突树相似，但分布范围小得多。星状细胞和篮状细胞的轴突横向穿过小叶，与浦肯野神经元形成突触。星状细胞和篮状细胞的突触主要位于浦肯野树突上。此外，篮状细胞还在浦肯野胞体周围形成篮状结构（该细胞因此得名），并与胞体形成突触。
颗粒细胞是小型神经元，具有4-5个短且不分枝的树突，每个树突末端呈爪状膨大，与苔状纤维花结及高尔基细胞轴突终末通过复杂排列形成突触结构（glomerulus）。颗粒细胞的轴突穿过浦肯野细胞层上行至分子层，在此分叉形成平行纤维。这些平行纤维沿小叶纵轴（与浦肯野细胞、星状细胞和篮状细胞树突树的平面垂直）平行于小脑表面走行，并与浦肯野细胞、高尔基细胞、星状细胞和篮状细胞的树突形成兴奋性突触。
平行纤维与浦肯野细胞（Purkinje cells）、分子层中间神经元（篮状细胞和星状细胞，basket and stellate cells）树突树之间的正交关系具有重要的功能意义。这种排列方式可实现最大程度的汇聚（convergence）和发散（divergence）。单根平行纤维（长度可达6毫米）可穿过100多个浦肯野细胞树突树（以及中间神经元树突）；然而，由于它仅穿过扁平树突树的短轴方向，因此与任何特定细胞仅形成1-2个突触。反之，单个浦肯野树突可接收约100,000根平行纤维的突触输入。因此，实验性激活一束平行纤维时，可兴奋与其排列方向一致的一列浦肯野细胞和中间神经元（图9.22）。此外，由于中间神经元的轴突走向与平行纤维垂直，这种兴奋束的两侧会伴随抑制效应。尽管这一经典电生理实验清晰地展示了小脑皮层的功能连接特性，但此类兴奋束是否存在于生理状态下仍未得到明确解答。
高尔基细胞（Golgi cells）是颗粒细胞层中的抑制性中间神经元。其轴突和树突分支的几何构型是皮层正交平面结构的一个例外——它们的树突和轴突构筑出近似锥形的区域：如同两个锥体尖端相接，胞体位于两锥尖相接处。树突树形成上锥体（常延伸至分子层），轴突形成下锥体。高尔基细胞的兴奋输入来自苔藓纤维（mossy fibers）、橄榄小脑纤维（olivocerebellar fibers）和颗粒细胞轴突（平行纤维），抑制输入来自篮状细胞、星状细胞和浦肯野细胞轴突侧支。它们通过抑制颗粒细胞参与反馈抑制环路（当被平行纤维激活时）和前馈抑制环路（当被苔藓纤维激活时），从而调控苔藓纤维-平行纤维通路对浦肯野细胞的信号传递。
卢格罗细胞（Lugaro cells）具有纺锤形胞体，两侧各发出一条相对不分枝的树突，沿小叶横轴方向延伸数百微米（通常位于浦肯野细胞层下方）。其主要输入来自浦肯野细胞轴突侧支，次要输入来自颗粒细胞轴突。其轴突终末主要分布于分子层，与篮状细胞、星状细胞（可能还有浦肯野神经元）形成突触。这些神经元似乎通过采集浦肯野神经元的活动状态，既提供正反馈信号（抑制那些抑制浦肯野神经元的中间神经元）又提供负反馈信号（直接抑制浦肯野神经元）。
单极刷细胞（unipolar brush cells）仅具有单根树突，末端形成紧密的小分支丛（形似刷子）。这些细胞接收来自苔藓纤维的兴奋性输入和来自高尔基细胞的抑制性输入。据推测，它们与颗粒细胞和高尔基细胞形成突触，因此可能在苔藓纤维-平行纤维通路中发挥兴奋性前馈连接作用。
烛台细胞（candelabrum cells）是位于浦肯野细胞层的GABA能神经元。其树突和轴突终末分布于分子层，轴突分支模式形似烛台。
小脑核
小脑皮层浦肯野细胞在运动协调中的活动
小脑深部核团（deep cerebellar nuclei）是小脑皮层（cerebellar cortex）的主要投射目标。这种投射具有地形学组织特征，即皮层每个纵向条带（longitudinal strip）都特异性地投射到小脑核团的特定区域。其大体模式为：蚓部（vermis）投射至顶核（fastigial nucleus）和前庭核（vestibular nuclei），旁蚓区（paravermal region）投射至间位核（interpositus nucleus），外侧半球（lateral hemisphere）则投射至齿状核（dentate nucleus）。
小脑深部核团的神经元进而将小脑的输出传递至脑的其他区域（主要例外是直接投射至前庭核的浦肯野神经元）。在讨论小脑深部核团输出时，根据核团细胞是否为GABA能（GABAergic）进行分类具有重要意义——因为GABA能细胞通过投射至下橄榄核（inferior olivary nucleus）形成负反馈环路，调控小脑的主要传入来源之一。值得注意的是，GABA能细胞会特异性地投射至下橄榄核的特定区域，这些区域既是其自身传入输入的来源，也是其对应皮层纵向条带接受攀缘纤维（climbing fibers）的起始核团。因此，小脑皮层、小脑核团与下橄榄核在功能上通过一系列闭合环路形成组织结构。非GABA能的兴奋性核团细胞则向从脊髓到丘脑的多种靶区发出投射。一般而言，每个核团均发出交叉的上行和下行投射纤维，这些纤维通过小脑上脚（superior cerebellar peduncle）离开小脑。顶核还发出大量非交叉纤维，以及另一组称为钩束（uncinate gyrus/hook bundle）的交叉投射，后者通过小脑下脚（inferior cerebellar peduncle）离开。
尽管各核团的具体靶区存在差异，但总体而言，小脑上行投射主要终止于中脑结构（如红核（red nucleus）和上丘（superior colliculus））以及丘脑腹外侧核（ventral lateral nucleus of thalamus）。丘脑腹外侧核连接初级运动皮层，从而将小脑与端脑的运动区域相联系（端脑运动区也通过包括基底脑桥（basilar pons）和下橄榄核在内的多条通路与小脑形成联系）。需要指出的是，小脑上行投射（尤其是来自齿状核的投射）也终止于端脑的非运动区，特别是额叶。下行纤维主要投射至基底脑桥核、下橄榄核和多个网状核团。最后，小顶核还发出少量小脑脊髓通路（cerebellospinal pathway）。顶核与前庭核团之间存在显著投射联系。
• 图9.23 浦肯野细胞对兴奋性输入的细胞外记录响应。A，颗粒细胞通过其上升轴突和平行纤维兴奋浦肯野细胞，并触发简单锋电位。B，攀缘纤维活动导致浦肯野细胞产生高频（约500 Hz）的锋电位爆发，称为复杂锋电位。注意初始锋电位之后的峰电位幅度较小，称为小锋电位（spikelets）。
通过苔藓纤维（mossy fiber）对小脑皮层的输入，经由颗粒细胞（granule cells）的兴奋作用，可引发浦肯野神经元（Purkinje neuron）产生单一动作电位，称为简单锋电位（simple spikes）（图9.23）。浦肯野神经元自发的简单锋电位放电频率通常在20至100 Hz之间，但可通过平行纤维（parallel fiber）输入的兴奋作用与小脑皮层中间神经元抑制作用的相对平衡进行更大范围的调节（从0至>200 Hz）。这种活动反映了小脑皮层的功能状态。有趣的是，2000年代早期的研究表明，简单锋电位的自发活动水平在小脑皮层不同区域存在系统性差异：斑马蛋白阴性（zebrin-negative）区域的放电频率平均是斑马蛋白阳性（zebrin-positive）区域的两倍。这一发现的完整意义尚未明确，但表明尽管小脑皮层环路在解剖结构上具有均一性，其功能可能存在显著差异。
相比之下，攀缘纤维（climbing fiber）放电会以全或无（all-or-none）的方式引发高频动作电位爆发，称为复杂锋电位（complex spikes）（见图9.23）。这种强效兴奋源于单个攀缘纤维与浦肯野神经元形成的突触连接，使得攀缘纤维放电与复杂锋电位之间具有近乎一对一的关系。因此，复杂锋电位能够覆盖皮层水平的其他活动，反映下橄榄核（inferior olivary nucleus）的功能状态。自发性复杂锋电位的平均放电频率仅约1 Hz。
由于攀爬纤维以如此低的频率产生复杂峰电位（complex spike），它们不会显著改变浦肯野细胞（Purkinje cell）的平均放电率。因此，学界普遍认为它们对直接塑造小脑皮层输出没有作用，也不参与实时运动控制。相反，学界通常认为其功能是改变浦肯野神经元对平行纤维（parallel fiber）输入的反应性。特别地，在某些情况下，复杂峰电位活动会导致平行纤维突触效能（synaptic efficacy）的长期抑制（long-term depression，LTD）。平行纤维突触的LTD被认为是运动学习（motor learning）的生物学基础。
根据主流假说，平行纤维系统（以及由此产生的简单峰电位）参与实时运动的生成。当预期运动与实际运动存在偏差时，这种误差会激活下橄榄核（inferior olivary nucleus）的复杂峰电位——其投射会聚于同一批浦肯野神经元，导致活跃的平行纤维突触产生LTD。突触强度的改变会引起运动输出调控的长期变化。如果这种变化导致运动正确执行，下橄榄核不会被激活，运动程序保持不变；但如果仍存在误差，橄榄小脑系统（olivocerebellar system）会触发更多复杂峰电位，导致突触效能进一步改变，以此类推。本质上，小脑回路中的这种相互作用为"熟能生巧"提供了生物学基础。
另一种观点认为，橄榄小脑系统直接参与运动控制（需注意这并不排除其在运动学习中的作用），尤其是协助运动指令的时序调控。这一观点源自小脑损伤后观察到的运动缺陷类型，并能解释前述下橄榄核的特殊性质：即其能在浦肯野细胞群中产生节律性、同步化的复杂峰电位放电。由于投射至小脑深部核团（cerebellar deep nuclei）的浦肯野轴突具有会聚特性，这些复杂峰电位会在小脑核神经元上产生同步化的抑制性突触后电流（inhibitory postsynaptic currents，IPSPs）。由于小脑核神经元的膜特性，这些同步化的IPSPs对深部核团细胞放电的影响与简单峰电位引起的IPSPs有本质区别——后者数量更多但基本不同步。具体而言，同步化的IPSPs可能引发核团细胞活动发生精确时序的大幅变化，继而作为门控信号传递至其他运动系统。事实上，自主运动似乎由一系列反映中枢振荡过程的周期性加速组成。橄榄小脑系统是否通过这种方式调控运动指令的时序，仍有待进一步验证。
基底神经节的运动控制
基底神经节的组成及相关核团
基底神经节的运动组成部分由一组皮质下核团构成，包括背侧纹状体（尾状核和壳核）、苍白球、黑质和底丘脑核（图9.24）。术语"纹状体（striatum）"源于这些核团的条纹状外观，特指由内囊前肢形成的纤维束分隔尾状核与壳核时产生的条纹结构。苍白球通常分为两部分：外侧部（external segment）和内侧部（internal segment）。壳核与苍白球的组合常被称为豆状核（lentiform nucleus）。底丘脑核属于间脑的一部分，而黑质位于中脑（见图9.24）。黑质（substantia nigra，意为"黑色物质"）因其含有黑色素而得名。该核团致密部（pars compacta）的许多神经元含有黑色素——这是多巴胺（dopamine）合成的副产物。黑质的另一分区为网状部（pars reticulata）。
• 图9.24 基底神经节及其紧密关联脑区的组成。基底神经节的主要成分包括尾状核、壳核、苍白球和黑质网状部。基底神经节的大部分通过腹前核（VA）与腹外侧核（VL）与额叶皮层的运动区相连，并与上丘形成连接。来自黑质致密部的输入对基底神经节的正常功能至关重要。GPe，苍白球外侧部；GPi，苍白球内侧部。
基底神经节主要与两个丘脑核团——腹前核（ventral anterior, VA）和腹外侧核（ventral lateral, VL）进行信息传递，与板内核（intralaminar nuclei）或板内复合体（intralaminar complex）的联系较弱（见图9.24）。
基底神经节的连接与运作机制
除初级视觉皮层和听觉皮层外，大脑皮层的大部分区域都以拓扑方式投射到纹状体。皮质纹状体投射（corticostriatal projection）主要源于皮层V层的兴奋性谷氨酸能神经元。随后，纹状体通过直接通路和间接通路影响丘脑腹前核（VA）与腹外侧核（VL）的兴奋性（图9.25A）。丘脑神经元又进一步兴奋大脑皮层神经元，从而与大部分皮层形成闭合环路（即皮层→基底神经节→丘脑→皮层）。根据皮层区域和功能（运动与认知）的不同，已识别出多个独立环路；此处将重点以运动相关环路作为基底神经节运作的模型（见图9.25A）。
直接通路
通过基底神经节至丘脑，最终到达皮层运动区的直接通路的总体作用是增强运动活动。在直接通路中，纹状体投射至苍白球内侧部（GPi）。该投射具有抑制性，主要递质为GABA。GPi向丘脑的VA和VL核投射。这些连接同样以GABA为递质并发挥抑制作用。VA和VL核向前额叶皮层、前运动皮层及辅助运动皮层发送兴奋性连接。这些输入至皮层的信号影响运动规划，并调控皮质脊髓和皮质延髓神经元的放电。
• 图9.25 基底神经节运动控制的功能连接。A，基底神经节各组分与其他相关运动区的连接。皮层对尾状核和壳核的兴奋性输入通过直接通路和间接通路影响GPi及黑质网状部（SNpr）的输出。间接通路中的两个抑制性环节意味着该通路的活性对基底神经节至丘脑和上丘的输出具有与直接通路相反的效应。多巴胺（DA）是一种神经调质，分别作用于参与直接通路和间接通路的纹状体神经元上的\mathsf{D}_{1}和\mathsf{D}_{2}受体。B，帕金森病中发生的活性流变化，此时黑质致密部（SNpc）发生退行性变。C，亨廷顿病中的活性流变化，此时对GPe的抑制性调控丧失。加号（+）和减号（-）分别表示突触连接的兴奋性或抑制性性质。glu，谷氨酸；G P e，苍白球外侧部；G P i，苍白球内侧部；VA/VL，丘脑腹前核/腹外侧核。
直接通路（Direct Pathway）
直接通路的功能机制如下：纹状体（striatum）神经元在静息状态下活性较低，但在运动过程中会被来自皮层的输入激活。与之相反，苍白球内侧部（GPi）神经元具有较高的基础活性水平。当纹状体被激活时，其向苍白球（GP）的抑制性投射会降低GPi神经元的活性。GPi神经元本身具有抑制性功能，它们通常对丘脑腹前核（VA）和腹外侧核（VL）神经元施加紧张性抑制（tonic inhibition）。因此，纹状体的激活通过抑制GPi，导致VA和VL核神经元的去抑制（disinhibition）。当VA/VL神经元被去抑制后，其放电频率增加，进而激活大脑皮层运动区的靶神经元。由于运动区通过激活脊髓和脑干中的α与γ运动神经元来引发运动，基底神经节（basal ganglia）可通过增强运动皮层神经元活性来调控运动。
间接通路（Indirect Pathway）
间接通路的整体效应是降低大脑皮层运动区神经元的活性。该通路涉及纹状体至苍白球外侧部（GPe）的抑制性连接，而GPe又向底丘脑核（subthalamic nucleus）发送抑制性投射，底丘脑核则向GPi发送兴奋性投射（见图9.25A）。
在此通路中，GPe神经元受到纹状体GABA能（GABAergic）抑制性投射的抑制。由于GPe本身也释放GABA，其向底丘脑核的投射具有抑制性。因此，纹状体对GPe的抑制会导致底丘脑核神经元的去抑制，后者通过释放谷氨酸（glutamate）激活GPi神经元。GPi兴奋性增强的后果是通过其GABA能投射对VA和VL丘脑核施加更强的抑制。最终，丘脑神经元及其影响的皮层神经元活性均降低。
直接通路与间接通路的作用相互拮抗；其中任一通路活性的增强可能导致运动控制的失衡。这种失衡是基底神经节疾病的典型特征，可能改变皮层的运动输出。
黑质致密部（Substantia Nigra Pars Compacta）神经元对纹状体的作用
多巴胺（dopamine）是黑质致密部神经元产生的神经递质。在黑质纹状体通路（nigrostriatal pathway）中，多巴胺的释放对直接通路具有整体兴奋作用，而对间接通路具有抑制作用。然而这是一种调节性效应；多巴胺并非通过直接触发动作电位，而是通过改变纹状体细胞对其他递质的反应来发挥作用。这种对直接和间接通路的不同作用源于纹状体中型多棘投射细胞（medium spiny projection cells）表达不同类型的多巴胺受体\left(\mathrm{D}_{1}\right)与\mathrm{D}_{2})）。参与直接通路的纹状体细胞表达\mathrm{D}_{1}受体，而参与间接通路的细胞表达\mathrm{D}_{2}受体。多巴胺释放的总体效应是促进VA和VL核的活性，最终增强大脑皮层运动区的激活。
纹状体的基质区（Matrix）与纹状小体（Striosomes）分区
根据相关的神经递质，纹状体可细分为称为纹状体小体（striosomes，也称为斑块）和基质（matrix）的区域。与运动控制相关的皮质投射终止于基质区。边缘系统投射至纹状体小体。纹状体小体被认为与黑质致密部（pars compacta of the substantia nigra）形成突触联系，并影响多巴胺能的黑质纹状体通路。
基底神经节在运动控制中的作用
基底神经节影响皮质运动区。因此，基底神经节对运动通路的侧皮质脊髓系统具有重要调控作用。这种影响与基底神经节疾病中观察到的某些运动障碍表现一致。基底神经节也调控内侧运动通路，因为基底神经节疾病还可影响近端肌肉的姿势和张力。
各种基底神经节疾病中出现的功能缺损包括异常运动（运动障碍）、肌张力增高（齿轮样强直）和运动启动迟缓（运动迟缓）。异常运动包括震颤、手足徐动症（athetosis）、舞蹈症（chorea）、投掷症（ballism）和肌张力障碍（dystonia）。基底神经节疾病的震颤为3Hz的"搓丸样震颤（pill-rolling tremor）"，出现于肢体静止时。手足徐动症表现为肢体远端缓慢的扭转动作，而舞蹈症则以四肢和面部肌肉快速抽动为特征。投掷症与肢体的挥摆动作（投掷样运动）相关。最后，肌张力障碍性运动是缓慢的不自主运动，可能导致身体姿势扭曲。
帕金森病（Parkinson disease）是以震颤、强直和运动迟缓为特征的疾病。该病由黑质致密部（substantia nigra pars compacta）神经元变性导致，进而引起纹状体多巴胺缺失。蓝斑（locus coeruleus）、中缝核（raphe nuclei）以及其他单胺能核团的神经元也会发生丢失。多巴胺的缺失会降低直接通路的活动性并增强间接通路的活动性（见图9.25B）。最终效应是GPi神经元活动性增加，并加强对VA和VL核神经元的抑制。VA和VL核兴奋性降低导致运动皮质区激活减少，出现运动启动困难和运动减慢（运动迟缓）。
在多巴胺能神经元完全丧失之前，给予左旋多巴（levodopa）可缓解帕金森病的部分运动症状。左旋多巴是多巴胺的前体物质，能够通过血脑屏障。通过降低基底神经节对VA和VL核的抑制作用，目前已开发出其他疗法以缓解帕金森病的一些破坏性症状。例如，在GPi或丘脑底核植入电极可用于抑制这些部位，从而减少对VA和VL核的抑制。尽管该技术被称为深部脑刺激（Deep Brain Stimulation, DBS）——可能暗示激活作用，但DBS通常抑制电极置入部位的局部活动。
眼球运动
眼球运动具有若干区别于其他运动行为的特征。与具有多关节和多肌肉的肢体运动相比，眼球运动相对简单但非常快速。例如，每只眼球仅由三对拮抗肌控制：内直肌与外直肌、上直肌与下直肌，以及上斜肌与下斜肌。这些肌肉使眼球能够绕三个轴旋转。假设头部处于直立位，这三个轴分别是垂直轴、左右向水平轴和扭转轴（沿视线方向延伸）。内直肌和外直肌控制绕垂直轴的运动；其余四块肌肉产生绕水平轴和扭转轴的运动。另一个简化特征是眼球运动无需补偿外部载荷。此外，眼球运动似乎可分为几种不同类型，每种类型由其专门的神经回路控制。眼球运动障碍还为神经系统问题的无创诊断提供重要临床线索。我们首先回顾不同类型的眼球运动，然后讨论其产生的神经机制。
眼球运动类型
前庭-眼反射（Vestibulo-ocular Reflex）
眼动
眼动（eye movement）的进化可能最初是为了保持外部世界的影像静止。相反，肢体运动的进化则是为了改变肢体相对于外部世界的位置。其原因是当眼球相对于外部世界运动时（即视觉场景在视网膜上滑动），视觉敏锐度会迅速下降。这种滑动的主要诱因是头部运动。前庭眼反射（vestibulo-ocular reflex，VOR）是补偿头部运动以维持视网膜上视觉场景稳定性的主要机制。
为了保持视网膜上视觉场景的稳定，VOR会产生与头部运动等幅且反向的眼球运动。这一反射由前庭系统（vestibular system）中毛细胞（hair cell）的激活所引发（见第8章）。需注意的是，前庭器官对头部加速度敏感，而非视觉线索，因此VOR在明暗环境中均可发生。从功能上看，VOR被称为开环系统（open-loop system），因为它会根据刺激（头部加速度）产生输出（眼球运动），但其即时行为并不受输出成功或失败的反馈调节。然而值得注意的是，至少在明光条件下，VOR未能匹配眼球与头部旋转时会导致视网膜滑动（retinal slip）（即视觉影像在视网膜上的滑动），这种误差信号可通过其他神经通路反馈至VOR回路，并随时间推移调整VOR的强度以消除误差。
头部运动有六种不同方式，常称为六自由度（six degrees of freedom）：三个平移自由度与三个旋转自由度。为补偿这些不同类型的运动，存在平移性VOR和角VOR，以及处理不同方向运动的独立子系统（例如绕垂直轴或水平轴的旋转）。
视动反射
视动反射（optokinetic reflex，OKR）是中枢神经系统（CNS）稳定视网膜上视觉场景的第二机制，常与VOR协同工作。VOR仅由头部运动激活，而OKR则由视觉场景的运动激活——无论该运动是由场景自身移动还是头部运动引起。具体而言，该反射的感官刺激是视网膜上视觉场景的滑动，由运动敏感性视网膜神经节细胞（motion-sensitive retinal ganglion cell）检测。前者的一个例子是当你坐在火车中，相邻轨道的火车开始移动时：你的眼球会旋转以保持相邻车厢影像的稳定。这常会导致一种你在移动的感觉（这并不完全令人意外，因为OKR回路会接入与前庭系统相同的回路）。
OKR可与VOR协同稳定视觉影像，且在头部缓慢运动时对维持影像稳定尤为重要，因为VOR在此类条件下表现不佳。
扫视
动物生理学教材翻译
在具有中央凹（fovea）的动物中，眼睛相对于外界（即主要视觉场景）的运动能力变得尤为重要，这使得重要物体能够聚焦到分辨率最高的区域——中央凹。实现这种能力的眼动分为两类：扫视（saccadic）和平滑追踪（smooth pursuit）。将视觉场景中特定区域快速带入中央凹的极高速离散运动称为扫视（saccades）。例如，阅读本句时，你正通过一系列扫视将连续的单词带入中央凹以进行识别。然而，即使缺乏中央凹的动物也会产生扫视，因此扫视也可用于快速扫描视觉环境。
扫视是极其快速的眼球运动。人类的扫视速度可达800度/秒，而由典型前庭眼反射（VOR）和视动性眼震反应（OKR）刺激产生的运动速度通常低于10度/秒（人类OKR刺激可产生最高约120度/秒的速度，但仍远低于最大扫视速度）。扫视可以是自主性或反射性的。此外，尽管通常由视觉目标触发，它们也可朝向听觉或其他感觉线索、在黑暗中发生，或指向记忆中的目标。
有趣的是，视觉处理在扫视发生前和过程中似乎会被抑制，尤其是在负责视觉运动信息处理的大细胞视觉通路（magnocellular visual pathway）中。这种现象称为扫视抑制（saccadic suppression），其功能可能是为了避免因扫视导致的视觉场景突然快速移动感。扫视抑制的机制尚未完全明确，但在与视觉处理相关的皮层区域中，细胞对视觉刺激的反应性在扫视期间会降低并发生改变。
平滑追踪（Smooth Pursuit）
当扫视将移动目标带入中央凹后，平滑追踪系统可使其稳定停留在中央凹，即使目标持续运动。这种能力似乎仅存在于灵长类，允许对移动目标进行长时间连续观察。需注意，平滑追踪在某些方面可能与OKR相似；实际上二者可能不存在绝对差异，因为当目标尺寸增大时，目标与背景的区分会消失；然而，对于小型移动目标，平滑追踪需要抑制OKR。通过以下实验可观察这种抑制效应：将手指在本文前左右移动并用眼睛追踪，此时手指保持清晰对焦，而页面文字作为背景场景的一部分会因视网膜滑动而变得无法辨识。
眼球震颤（Nystagmus）
当存在持续的视动反射（optokinetic reflex，OKR）或前庭眼反射（vestibulo-ocular reflex，VOR）刺激时（例如持续向单一方向旋转），如前所述，这些反射最初会通过反向旋转眼球来维持视网膜上的稳定成像。然而，在持续刺激下，眼球会达到其机械运动极限，无法继续代偿，此时影像将开始在视网膜上滑动。为避免这种情况，眼球会向相反方向产生快速的扫视样运动，本质上将眼球复位以重新开始注视视觉场景。随后，由OKR或VOR诱导的慢速反向旋转将重新开始。这种慢速与快速运动交替出现的反向运动现象称为眼球震颤（nystagmus），可通过眼球震颤图（nystagmogram）记录（图9.26）。因此，眼球震颤可定义为包含快相和慢相的节律性眼球振荡运动。由于快相更易观察，眼球震颤的命名依据快相方向而定。
除由VOR或OKR刺激生理性诱发外，眼球震颤也可由前庭通路损伤引起（包括外周性损伤如cranial nerve VIII，或中枢性损伤如前庭神经核），是具有诊断意义的症状。
辐辏（Vergence）
共轭性眼动（conjugate eye movement）指双眼以相同方向和等幅度运动。这种协调机制可在眼动过程中维持目标物成像于双眼中央凹，是维持双眼视觉（binocular vision）且不产生复视（diplopia）的必要条件。然而，当目标物靠近时（<30 m），维持双眼中央凹成像需要双眼进行非对称运动。这种非共轭性运动，即辐辏运动（vergence movement），也是双眼注视接近或远离物体的必要条件。触发辐辏运动的刺激信号包括复视和模糊影像。需注意的是，在追踪接近物体的过程中，除辐辏运动外，晶状体还会发生近距视物的调节（accommodation），同时伴随瞳孔收缩。
• 图9.26 眼球震颤图显示眼球震颤期间的眼动轨迹。图中显示左向眼球震颤，因快相指向左侧（图中表现为向下偏移）。
眼动的神经回路与活动基础
眼外肌运动神经元
支配眼外肌（extraocular muscles）的脑神经核团有三组：动眼神经核（oculomotor nucleus）、滑车神经核（trochlear nucleus）和展神经核（abducens nucleus）。这三个核团有时被统称为眼外运动神经核，但具体所指（特定核团或全部）需根据上下文明确。动眼神经核包含支配同侧内直肌（medial rectus）和下直肌（inferior rectus）、同侧下斜肌（inferior oblique）以及对侧上直肌（superior rectus）的运动神经元；滑车神经核包含支配对侧上斜肌（superior oblique）的运动神经元；展神经核则包含支配同侧外直肌（lateral rectus）的运动神经元。这些运动神经元形成体内最小的运动单位之一（神经-肌肉比例为1:10），这与精确眼动所需的精细调控特性相符。
前庭-眼反射的神经回路基础
前庭-眼反射（VOR）通过使眼球向头部运动相反方向旋转来抵消头部运动。针对头部的旋转运动和平移运动存在独立的神经回路。前者的感受器是半规管中的毛细胞，后者则依靠耳石器（椭圆囊和球囊）中的毛细胞。角加速度前庭-眼反射的神经回路相对简单（但仍具复杂性），本节重点通过这些通路阐述该反射的工作机制。前庭传入纤维投射至前庭神经核；前庭神经核继而投射至各个动眼神经核；动眼神经核中的运动神经元发出轴突支配眼外肌。
关于角加速度前庭-眼反射通路：产生水平眼动的通路起源于水平半规管，而垂直眼动的类似通路则起源于前、后半规管。图9.27A展示了水平前庭-眼反射的基本回路。需注意图中仅显示源自左侧水平半规管和前庭神经核的主要中枢回路，但镜像对称的通路也存在于右侧半规管和前庭神经核。参与水平前庭-眼反射通路的前庭传入纤维主要与内侧前庭神经核形成突触，后者向双侧外展神经核发出投射：抑制性神经元向同侧投射，兴奋性神经元向对侧投射。对内直肌的控制通过外展神经核的核间神经元实现，这些神经元从外展神经核投射至控制内直肌的动眼神经核相应区域。值得注意的是，该通路的双重交叉使功能协同肌（如左内直肌与右外直肌）的反应得以协调一致。
垂直前庭-眼反射通路主要涉及上前庭神经核，该核团直接向动眼神经核发出双侧投射。
当头部向左旋转时（如图9.27B所示），水平半规管通路会发生如下反应。头部左旋会导致视觉影像向右滑动。然而，前庭动眼反射（VOR）的补偿机制会通过左侧半规管毛细胞对角加速度的去极化反应而被触发（见图8.27）。去极化的毛细胞会增加左侧前庭传入纤维的活动，从而激活左侧前庭内侧核的神经元。
这些神经元包括投射到对侧外展神经核的兴奋性前庭神经元，它们与运动神经元和核间神经元形成突触连接。运动神经元的兴奋会导致右侧外直肌收缩并使右眼向右转动，而右侧外展神经核核间神经元的兴奋会激活左侧动眼神经核的内直肌运动神经元，从而使左眼也向右转动。
• 图9.27 水平前庭动眼反射（VOR）的神经环路基础。A，前庭神经核接受来自水平半规管传入纤维的兴奋性输入，并投射到外展神经（第VI对脑神经）核。该核支配外直肌并投射到对侧动眼神经（第III对脑神经）核，后者控制内直肌。兴奋性神经元以红色表示；抑制性神经元以蓝色表示。注意仅显示源自左侧前庭神经核的主要通路，为清晰起见，右侧前庭神经核起始的镜像通路仅显示起始部分（虚线）。B，头部左旋引发的VOR环路活动流向。轴突增粗表示活动增强；与静息状态（A）相比，轴突变细表示活动减弱。注意左旋既引起左侧前庭传入纤维活动增强，也引起右侧活动减弱。I，下；L，外侧；M，内侧；MLF，内侧纵束；S，上；VI，前庭神经核。
在起始于左侧前庭内侧核向同侧外展神经核投射的抑制性前庭神经元通路上，这些细胞的活动会导致左侧外直肌运动神经元和右侧内直肌运动神经元（后者通过核间神经元至右侧动眼神经核）的抑制。因此，这些肌肉松弛，从而促进双眼向右转动。由此可见，眼睛既被一组肌群张力增强所"牵拉"，又被拮抗肌群张力释放所"推动"。
需要再次说明的是，为清晰起见，图9.27中省略了源自右侧半规管的镜像通路，但头部左旋时通过这些通路的活动变化将完全相反，因此它们将与图中所示通路产生协同作用。简而言之，头部左旋会使右侧半规管的毛细胞超极化，从而导致右侧前庭传入活动减弱和右侧前庭神经核神经元的去促进（dis-facilitation）。
前庭连合通路的调节功能
连接两侧内侧前庭核的连合纤维（commissural fibers）具有兴奋性，但其终止于对侧前庭核的局部抑制性中间神经元，从而抑制该核的投射神经元。这一通路增强了对侧前庭传入纤维对其靶向前庭核神经元的作用。例如，左侧前庭核的连合细胞被激活后，会引起右侧内侧前庭核投射神经元的主动抑制，从而强化右侧传入活动减少导致的去易化（dis-facilitation）效应。事实上，即使单侧迷路切除（破坏了对这些核团的直接前庭传入输入）后，这一连合通路仍能有效调节对侧前庭核的活动。
重要的是，叠加在脑干回路之上的是小脑。小脑蚓部和绒球小结叶（flocculonodular lobe）接收初级前庭传入纤维或次级前庭传入纤维（前庭核神经元的轴突），或两者兼有，并通过单突触通路直接或经顶核（fastigial nucleus）的双突触通路（disynaptic pathway）反向投射至前庭核。小脑回路在生成前庭眼反射（VOR）中的确切作用尚有争议，但其重要性体现在：损伤这些回路会导致异常眼动（如自发性眼球震颤）及其他前庭功能障碍症状。
视动反射的神经回路基础
诱发视动反射（OKR）的刺激是视觉性的（视网膜滑动），因此光感受器是反射弧的起点。该反射的关键脑干中枢位于中脑吻端的被盖和前顶盖区，包括视束核（NOT）和一组统称为副视核（AON）的核团。方向选择性和运动敏感性的视网膜节细胞是向这些核团传递视觉信息的主要传入来源。此外，输入还来自枕叶和颞叶的初级及高级视皮层。后者的传入源在灵长类和人类中尤为重要。NOT和AON的细胞具有大感受野，其反应对视觉场景运动的方向和速度具有选择性。值得注意的是，NOT/AON细胞的最佳运动方向与半规管垂直轴旋转引起的运动高度对应，从而促进VOR与OKR的协调以产生稳定的视网膜成像。
临床关联
临床相关
前庭迷路功能的临床检测可通过两种方法实施：使用Bárány椅旋转患者以激活双侧迷路，或将冷水或温水注入单侧外耳道（温度试验）。当受试者在Bárány椅中被旋转时，旋转过程中会产生眼球震颤（nystagmus）。此时眼球震颤的快相方向与旋转方向一致。当旋转停止时，会出现反方向的眼球震颤（旋转后眼球震颤），因为停止旋转产生的效应等同于向相反方向加速运动。
当单侧迷路受到刺激（如梅尼埃病）或迷路功能丧失（可能由头部创伤或迷路病变引起）时，来自两侧前庭-眼反射通路（VOR pathways）的传入信号将失去平衡。这种情况可导致病理性眼球震颤。例如，左侧迷路受刺激可增加支配左水平半规管（horizontal semicircular duct）的传入纤维放电频率。此时产生的信号类似于头部正常左转时产生的信号。由于刺激持续存在，将引发左向眼球震颤：慢相右移（由VOR通路介导）伴随快相左移。右侧迷路损毁产生的效应与左侧迷路受刺激类似。值得注意的是，这种眼球震颤是暂时性的，表明相关神经回路具有随时间推移产生适应性调节的能力。
这些神经核的传出联系广泛且复杂，目前尚未完全阐明。存在至动眼神经核和展神经核的多突触通路，以及至前庭神经核的单突触传入，这些联系使前庭-眼反射（VOR）得以实现。此外还有向多个小脑前核（precerebellar nuclei）的投射，包括下橄榄核（inferior olivary nucleus）和基底脑桥核（basilar pontine nuclei）。这些通路经小脑绒球（flocculus）环路返回前庭神经核。总之，通过多条并行通路的协同作用，神经活动最终到达各动眼神经核，激活运动神经元，从而产生精确的眼球反向运动。
扫视运动的神经回路基础
扫视（Saccades）由中脑上丘（superior colliculus）或大脑皮层（额叶眼区[FEF]及顶后叶区域）的神经活动触发。上丘的神经活动与扫视方向及幅度的计算相关。实际上，上丘深层包含扫视位置的拓扑运动图谱（topographic motor map）。上丘将信息分别传递至控制水平和垂直扫视的中枢——水平凝视中枢与垂直凝视中枢。水平凝视中枢由展神经核附近的旁正中脑桥网状结构（PPFR）神经元构成（图9.28A）。垂直凝视中枢位于中脑网状结构，具体为内侧纵束吻侧间质核（rostral interstitial nucleus of the medial longitudinal fasciculus）和Cajal间质核（interstitial nucleus of Cajal）。由于水平凝视中枢的神经回路和运作机制比垂直凝视中枢更明确，本节将重点讨论前者。但需要指出，在垂直凝视中枢中也发现了具有类似活动模式的细胞群。
生成扫视运动的神经回路
热量试验（caloric test）更为实用，因为它能区分两侧迷路的功能障碍。颈部后仰约60度，使两侧水平半规管基本处于垂直位。若将温水注入左耳，由于加热导致内淋巴比重降低，左侧半规管袢外侧部分的内淋巴趋于上升。这将引发内淋巴的对流运动，结果导致左侧壶腹嵴毛细胞的动纤毛（kinocilia）向椭圆囊方向偏转，仿佛头部向左旋转；支配该半规管的传入纤维放电增加；并出现快相向左的眼球震颤（nystagmus）。这种眼球震颤会使人产生环境向右旋转的感觉，且受试者倾向于向右倾倒。若在耳内注入冷水则会产生相反的效应。记忆热量试验中眼球震颤方向的助记符为COWS（"冷对侧，热同侧"）。换言之，单侧耳注入冷水会导致快相朝向对侧的眼球震颤，而温水则引起快相朝向同侧的眼球震颤。
图9.28A概述了产生扫视运动的神经回路，图9.28B显示了凝视中枢中负责水平扫视的特定类型神经元的活动。每个水平凝视中枢都含有兴奋性爆发神经元（excitatory burst neurons, EBN），其投射至同侧外展神经核（abducens nucleus）的运动神经元和中间神经元（后者兴奋对侧动眼神经核的内直肌运动神经元）。此外还含有抑制性爆发神经元（inhibitory burst neurons, IBN），抑制对侧外展神经核。这些爆发神经元能产生极高频率的脉冲爆发（可达1000~\mathrm{Hz}）。凝视中枢还包含具有紧张性活动和爆发-紧张性活动的神经元。
正常情况下，位于背侧中缝核的泛暂停神经元（omnipause neurons）同时抑制兴奋性和抑制性爆发神经元。当需要产生扫视运动时，来自额叶视区或上丘、或两者的信号会抑制泛暂停细胞并兴奋对侧的爆发细胞。兴奋性爆发神经元产生的高频爆发将强力驱动同侧外直肌和对侧内直肌的运动神经元（见图9.28A）；同时，抑制性爆发神经元使拮抗肌松弛。这些神经元的初始爆发可使特定眼外肌产生强力收缩，克服眼外肌的黏滞阻力，从而实现快速运动。
平滑追踪运动的神经回路基础
关键要点
平滑追踪（smooth pursuit）涉及用眼睛跟踪移动目标（图9.29）。有关目标速度的视觉信息在一系列皮层区域进行处理，包括枕叶的视觉皮层（visual cortex）、多个颞叶区域以及额叶眼动区（frontal eye fields）。过去认为额叶眼动区仅与扫视控制相关，但最新证据表明该区域内存在专门负责扫视产生或平滑追踪的独立分区。事实上，可能存在两个独立的皮层网络，各自专门负责其中一种类型的眼球运动。来自多个皮层区域的神经活动通过脑桥核（pontine nuclei）和桥被盖网状核（nucleus reticularis tegmenti pontis）的部分结构传递至小脑。小脑的特定区域——即后蚓部（posterior lobe vermis）、绒球（flocculus）和副绒球（paraflocculus）——接收这些输入，并转而投射到前庭核（vestibular nuclei）。随后，前庭核的神经活动可传递至动眼神经核（oculomotor nuclei）、外展神经核（abducens nuclei）和滑车神经核（trochlear nuclei），其传导路径与前庭-眼反射（VOR）的描述一致。
辐辏运动的神经回路基础
辐辏运动（vergence）的神经回路机制尚未完全明确。存在位于动眼神经核周围脑干区域的前运动神经元（premotor neurons，即向运动神经元传递信号的神经元）。在某些皮层视觉区和额叶眼动区中，存在与双眼视网膜图像差异或辐辏运动期间图像变化相关的神经元。这些皮层区域的辐辏信号如何传递至脑干前运动神经元尚不清楚。小脑在辐辏运动中也发挥作用，因为小脑损伤会损害此类眼球运动。值得注意的是，导致VOR丧失的内侧纵束（medial longitudinal fasciculus）损伤不会影响辐辏功能。
• 图9.28 水平扫视通路。A，主要通路的回路示意图。EBN，兴奋性爆发神经元；FEF，额叶眼动区；IBN，抑制性爆发神经元；LBN，长潜伏期爆发神经元；OPN，全暂停神经元；PPRF，旁正中桥脑网状结构。B，参与扫视的部分神经元放电模式。右侧水平注视中心的爆发神经元兴奋会激活右侧外展运动神经元和左侧内直肌运动神经元。通向动眼神经核的上行通路通过内侧纵束。左侧水平注视中心同时被抑制。
• 图9.29 平滑追踪通路。平滑追踪眼动的刺激源是移动的视觉目标。这导致神经活动通过图中所示的回路传导，从而维持中央凹对目标的追踪。FEF，额叶眼动区；LGN，外侧膝状体核；MST和MT，高阶视觉联合区；MVN，前庭内侧核；NRTP，桥被盖网状核；SEF，辅助眼动区；V\uparrow，初级视觉皮层。
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- 骨骼肌的梭外肌纤维（extrafusal skeletal muscle fibers）由α（α）运动神经元支配。一个运动单位（motor unit）由单个α运动神经元及其所突触连接的所有肌纤维组成。不同肌肉的运动单位大小差异显著；较小的运动单位能更精细地控制肌力。
- 大小原则（size principle）指α运动神经元根据其体积从小到大的有序募集。由于较小运动神经元连接较弱的运动单位，因此弱收缩和强收缩时运动控制的相对精细程度相似。
- 反射（reflex）是对刺激产生的简单、刻板的运动反应。反射弧（reflex arc）包括负责该反射的传入纤维、中间神经元和运动神经元。
- 肌梭（muscle spindle）是骨骼肌中的复杂感觉感受器。它们与梭外肌纤维平行排列，内含核袋（nuclear bag）和核链（nuclear chain）梭内肌纤维（intrafusal muscle fibers）。由于与主肌平行，肌梭可检测肌肉长度的变化。
- Ia类传入纤维（group Ia afferent fibers）在核袋1型、核袋2型和核链纤维上形成初级末梢（primary endings），II类纤维（group II fibers）在核链和核袋2型纤维上形成次级末梢（secondary endings）。
- 初级末梢同时呈现静态和动态反应，传递肌肉长度及其变化速率的信息。次级末梢仅呈现静态反应，仅传递肌肉长度信息。
- 与肌梭关联的梭内肌纤维由γ（γ）运动神经元支配。梭内肌纤维收缩不会直接引起肌肉张力或长度的显著变化；然而，当这些纤维的张力水平被调节时，γ运动神经元会影响肌梭对牵张的敏感性。
- 高尔基腱器官（Golgi tendon organ）位于肌肉肌腱中，因此与肌肉呈串联排列。它们由Ib类传入纤维（group Ib afferent fibers）支配。这种串联关系意味着腱器官可检测肌肉产生的力水平，无论该力源于被动牵拉还是主动收缩。
- 位相性牵张反射（phasic stretch reflex）（或称肌伸张反射（myotatic reflex））包含：（1）来自肌梭Ia类传入纤维到支配同一肌肉和协同肌的α运动神经元的单突触兴奋通路（monosynaptic excitatory pathway）；（2）到拮抗肌运动神经元的双突触抑制通路（disynaptic inhibitory pathway）。
- 反肌伸张反射（inverse myotatic reflex）由高尔基腱器官引发。来自特定肌肉的Ib类纤维传入冲动通过双突触抑制支配该肌肉的α运动神经元，并兴奋拮抗肌的α运动神经元。
- 屈曲反射（flexion reflex）是重要的保护性反应，因其能使肢体远离伤害性刺激。该反射由支配多种感受器（尤其是伤害感受器（nociceptors））的传入纤维冲动引发。通过多突触通路，这些冲动引起同侧屈肌运动神经元兴奋和伸肌运动神经元抑制。同时，对侧出现相反作用模式（屈肌抑制和伸肌运动神经元兴奋），称为交叉伸肌反射（crossed extension reflex）。
- 下行通路可分为：（1）外侧系统（lateral system），终止于支配肢体肌肉的运动神经元和外侧中间神经元群；（2）内侧系统（medial system），终止于内侧中间神经元群。
- 外侧系统（lateral system）包括外侧皮质脊髓束（lateral corticospinal tract）和部分皮质延髓束（corticobulbar tract）。这些通路影响支配四肢（尤其是手指）肌群的对侧运动神经元，以及面部下部和舌部的肌肉。
- 内侧系统（medial system）包括腹侧皮质脊髓束（ventral corticospinal tract）、外侧和前庭脊髓内侧束（lateral and medial vestibulospinal tracts）、网状脊髓束（reticulospinal tract）和顶盖脊髓束（tectospinal tract）。这些通路主要影响姿势，并为四肢和手指运动提供运动背景。
- 运动（locomotion）由经中脑运动中心（midbrain locomotor center）传递的命令触发。然而，由脊髓回路形成并受传入输入（afferent input）影响的中枢模式发生器（central pattern generators）负责运动活动的详细组织。
- 随意运动（voluntary movements）依赖于大脑皮层运动区、小脑和基底神经节之间的相互作用。
- 大脑皮层运动区以平行分布式网络（parallel distributed network）形式排列，其中每个区域都参与各种下行运动通路。主要参与躯干和头部运动的区域包括初级运动皮层（primary motor cortex）、前运动区（premotor area）、辅助运动皮层（supplementary motor cortex）和扣带运动区（cingulate motor areas）。额眼区（frontal eye fields）对眼球运动至关重要，并帮助启动随意扫视（voluntary saccades）。
- 单个皮质脊髓神经元在相关肌肉发生随意收缩前放电。其放电通常与收缩力相关，而非关节位置。然而，单个神经元的活动可能在运动执行的不同时间点编码该运动的不同参数。
- 运动皮层神经元的群体活动可用于预测即将发生的运动方向。
- 小脑影响运动的速率、幅度、力量和方向，同时也影响肌张力、姿势以及眼球运动和平衡。
- 小脑的内在环路具有显著的一致性。小脑不同部位的功能差异主要源于不同的传入来源和传出目标。
- 解剖学和生理学技术表明，小脑皮层可被划分为许多功能不同的纵向功能区室（longitudinally running compartments）。
- 小脑的大部分输入通过苔藓纤维（mossy fibers）终止的通路实现。苔藓纤维兴奋颗粒细胞（granule cells），后者又可引发Purkinje细胞的单个动作电位（称为简单锋电位/simple spikes）。Purkinje细胞的轴突形成小脑皮层的唯一输出通路。
- 下橄榄核（inferior olivary nucleus）向小脑的投射以攀缘纤维（climbing fibers）形式终止，且是其唯一来源。每个Purkinje细胞仅接受来自单个攀缘纤维的大量输入。因此，每个攀缘纤维放电都会在Purkinje细胞中产生由多个动作电位组成的高频爆发，称为复杂锋电位（complex spike）。
- 尽管复杂锋电位活动相较于简单锋电位活动较为罕见，但复杂锋电位在Purkinje细胞群中精确同步。由于这些细胞汇聚到小脑核神经元（cerebellar nuclear neurons），这种同步可能使复杂锋电位活动显著影响小脑输出。复杂锋电位的同步源于下橄榄核神经元通过缝隙连接（gap junctions）实现的电耦合。