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腦機接口（BMIs）為中風后運動功能障礙患者帶來了恢復希望，但大多數現有系統依賴于運動皮層（M1）：一個在中風后常常受損的關鍵區域。然而，科學家們正在探索一種全新的途徑：利用小腦作為神經假體控制的信號源。作為大腦中負責精細運動控制的重要結構，小腦在運動協調和學習方面發揮著關鍵作用，卻在腦機接口研究中長期被忽視。

基于此，2025年7月21日，美國西達賽奈醫療中心Tanuj Gulati研究團隊在Cell Reports雜志發表了“Effective cerebellar neuroprosthetic control after stroke”揭示了中風后有效的小腦神經假體控制。

作者通過對中風大鼠模型的長期電生理記錄發現，小腦的神經活動可以有效地驅動腦機接口控制，其表現與基于M1的控制相當，即使在出現運動障礙的中風動物中也觀察到了這一現象。在小腦驅動腦機接口控制過程中，同步記錄M1與小腦的神經活動發現，驅動接口的小腦“直接”神經元受到局部小腦神經元和遠端M1神經元的共同影響。雖然小腦自身的影響保持穩定，但M1與小腦直接神經元之間的相互作用在中風后從較長的時間尺度轉向了較短的時間尺度。這些發現表明，在中風后的大腦中，利用小腦神經實現“直接”控制是可行的并揭示了中風后M1與小腦之間網絡動態關系的變化。

圖一 利用小腦神經活動學習腦機接口任務

作者首先在大鼠執行神經假體任務時記錄了M1和小腦（CB）的神經活動。這個實驗是怎么做的呢？

大鼠通過使用實驗者選定的一個或兩個“直接”神經單元的活動來控制一根機械喂水管的角速度。在CB和M1中，那些與喂水管運動無因果關系的其他記錄單元被稱為“間接”單元。每次試驗開始時，會播放一個提示音并打開一塊有機玻璃門允許大鼠將管從靜止位置P1移動到目標位置P2。如果在試驗開始后15秒內未能成功移動喂水管，則該次試驗被視為失敗。試驗結束后，喂水管返回P1位置，有機玻璃門關閉。觀察到大鼠能夠利用小腦皮層中“直接”神經元的活動來控制喂水管，并且它們的表現通常在1至2小時內有所提高。任務完成所需時間以及失敗試驗的數量隨著學習而減少。在完整的小腦腦機接口實驗中，作者觀察到成功率顯著提高，任務完成時間顯著縮短。同樣，在完整的M1腦機接口實驗中，也觀察到了腦機接口性能提升。這表明，利用小腦實現高效的“直接”神經假體控制是可行的，其效果可與M1“直接”神經控制相媲美。

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作者還分析了腦機接口實驗期間的視頻記錄并追蹤了喂水管的位置。發現在實驗后期的試驗中，喂水管從P1到P2的移動比早期更直接、更一致。此外，所有動物的喂水管角速度在后期試驗中也顯著提高。

為了證明神經假體控制與任何身體運動無關，追蹤了大鼠的左右前爪和頭部運動，但并未發現它們的運動與喂水管運動之間存在顯著相關性。即隨著神經假體控制表現的提高，明顯的身體動作也會減少。接下來測試了中風后小腦腦機接口的有效性。發現在前爪功能仍存在障礙的情況下，中風大鼠依然可以實現小腦驅動的控制。此外，中風后小腦腦機接口的表現與正常小腦或M1驅動的腦機接口表現相當。有趣的是，在掌握控制技能后，三組腦機接口的任務表現之間沒有顯著差異。在中風后小腦腦機接口實驗中，喂水管的角速度從早期到后期顯著提高，身體運動與喂水管運動之間也沒有顯著相關性。

綜上所述，作者觀察到即使在M1受損的情況下，也可以實現穩定的小腦“直接”神經假體控制，這表明皮層下神經活動可能適用于直接神經接口的應用。

圖二 神經假體控制對M1和小腦活動的直接與間接調控

在正常小腦腦機接口實驗中，直接神經單元在早期和晚期試驗之間表現出顯著的調控變化。在中風后小腦腦機接口實驗中，直接神經單元也表現出顯著的調控變化。

已有研究表明，M1腦機接口中M1的直接神經單元也表現出類似的調控模式。在分析與任務相關的M1和小腦間接神經單元的調控情況時，作者發現其中一部分間接神經單元也表現出明顯的調控。這些結果與其他研究一致，表明間接神經單元在神經假體控制中也起到了一定作用。在正常小腦腦機接口中，43.35%的小腦間接神經單元和41.47%的M1間接神經單元表現出顯著的間接調控；而在中風后小腦腦機接口中，這一比例分別為37.21%的小腦單元和55.12%的M1單元。已有類似的研究報告指出，在M1腦機接口控制中也存在這種間接調控。有意思的是，當嘗試用小腦的“直接”神經信號來控制神經假體時，其實還有許多“間接”的神經細胞也在悄悄參與其中，說明小腦和大腦之間其實是在協同作戰。

圖三 浦肯野細胞在神經假體任務中的調控作用

接下來，作者希望評估小腦皮層中一種特定類型的細胞：浦肯野細胞（PCs）在小腦腦機接口（CB-BMI）任務中對神經活動的貢獻。

浦肯野細胞是小腦中主要的神經元類型之一。通過簡單放電特征識別出潛在的浦肯野細胞，并進一步使用P-Sort分析這些細胞，識別出復雜放電。將確認的浦肯野細胞與潛在的浦肯野細胞合并統稱為PCs，并用于后續分析。

使用這些浦肯野細胞的活動來預測小腦“直接”神經元的活動，結果表明，在神經假體任務中，潛在的浦肯野細胞間接群體表現出的調控模式與其他小腦皮層間接神經元群體相似，并且其活動也隨時間動態變化。在GLM-pd模型中，研究人員發現小腦浦肯野細胞中的“間接神經元”和“直接神經元”之間的互動非常快，時間差很短，這一點和另一個模型GLM-id中的情況很像。無論是正常小鼠還是中風小鼠，在這個模型中神經活動之間的時間延遲也沒有明顯差別。

研究人員還進一步觀察了大腦M1區域的神經元是否能“預測”這些潛在的浦肯野細胞活動（稱為GLM-1p模型，也就是M1間接 → 小腦浦肯野細胞間接）。這個過程和之前使用的GLM-1i模型類似，他們構建了一個“有效空間”來模擬浦肯野細胞的潛在活動并作為模型的輸出變量。比較正常小鼠和中風小鼠的模型表現并沒有發現顯著差異。而且在GLM-1p模型中，無論是正常還是中風的大腦，M1與小腦浦肯野細胞之間的互動時間也相近，和GLM-1i模型的結果一致。這說明，M1區域對小腦浦肯野細胞或其他間接神經元的影響方式，在中風前后并沒有發生明顯變化。更重要的是，正常組和中風組在GLM-1p模型中，神經活動之間最大的影響時間點也沒有顯著差別。這進一步表明，即使在中風之后，浦肯野細胞的間接調控機制仍然保持著和正常狀態相似的動態特征。

圖四 全文摘要圖

總結

雖然研究可能主要使用了特定類型的中風模型（如局部缺血性中風），而忽略了其他類型的中風（如出血性中風）。

但研究發現大鼠即使在中風后，仍然可以利用小腦的神經活動來控制外部設備。研究團隊發現，中風后的大鼠在學習由小腦驅動的腦機接口任務時，表現與健康大鼠利用運動皮層或小腦神經活動完成任務一樣高效。作者的研究證明了在中風后使用小腦腦機接口的可行性，并且其控制效果與健康大腦相當。該研究可能有助于未來進一步提升小腦腦機接口的功能性。

文章來源

https://doi.org/10.1016/j.celrep.2025.116030