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随意运动的控制管理
发布日期:2012-4-22 7:45:35
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大脑皮层对随意运动的计划、编程和控制管理更是神经科学的基本问题。随意运动是意识上为达到某个目的而向一定目标的运动,感觉传入可诱导并指导随意运动,任何随意运动至少包括意念,目标,计划,驱动和执行5个复杂的神经过程。对这类从神经元的动作电位发放,皮层网络的特性到运动功能的表达等不同现象,神经实验研究显然处于核心位置,而且已经取得十分精细的结果,对应现象的模型分析已经形成完善的理论,对神经元局部机理的研究和整体皮层网络功能的描述已经形成神经动力学,认知动力学和神经计算等学科方向,并发展成为有效的脑科学研究方法。

 

随意运动的研究主线是大脑运动皮层对运动的管理和控制功能,涉及内容主要包括:与大脑随意运动相关的单个神经元的模型分析,神经元在信号传递过程中,膜的信号传递具有被动电缆特性,集中体现膜电阻,膜电容和轴向电阻等方面,目前已经形成神经计算的主体,膜电阻对应Hodgkin-Huxley离子通道模型和轴向电阻对应RALL电缆房室模型。而胞体膜的电容特性没有引起足够的重视,使得神经元信号传播和信号传递的波形特征没有很好理解,而胞体膜的充电放电的时间变化过程,可以刻画神经信号的波形特征。本项目的研究是通过补充神经元胞体膜充电放电理论,得到神经元信号的主要波形特征,结合离子通道模型和房室模型理论,整体得到神经元的信号波形特征和传播传递理论。这些神经信号波形特征和传播传递理论,应用到随意运动皮层网络涉及的具体神经元,得到随意运动皮层管理区域的神经信号传导过程。与大脑随意运动相关的网络中的神经元,包括大脑运动皮层锥体神经元,颗粒神经元和星状神经元等,小脑皮层网络中的蒲肯野,苔藓纤维和攀缘纤维等,基底神经节中的棘状神经元,多巴胺能神经元和中继神经元等。通过突触递质连接起来,描述随意运动的调节控制的皮层网络模型,得到一个用神经元波形信号模型研究大脑皮层运动控制的理论。

 

随意运动的研究内容,是神经元水平理解神经信号波形传播和传递过程。神经元膜电容充电和放电的波形特性和波形的轴突电缆传播,是对神经元信号传导理论的补充,是对神经计算基础理论的贡献,研究结果使得神经元信号传导更加切合实际。运动皮层的网络分析,不仅可以从神经元电位发放水平解释运动皮层控制机制,而且可以深刻理解大脑皮层更多的功能特性。如大脑皮层-丘脑网络与睡眠节律,也涉及皮层的脑电波图案;大脑皮层-基底神经节网络与大脑决策确定联系一起,基底神经节中黑质的变化与帕金森综合症相关,也涉及脑深度刺激治疗帕金森综合症的机制,大脑皮层-小脑皮层网络涉及关节运动的精确和迟缓等问题。

 

这些与随意运动控制相关的皮层神经元和神经回路区域,其对应的理论描述和功能特性研究将构成本项目的研究核心主体。随意运动涉及感觉皮层的输入,前运动皮层的计划,初级运动皮层的执行和皮层下与小脑和基底神经节的环路调节,这样高级的大脑认知活动,对应的模型理论分析十分迫切和必要。

 

随意运动发起和管理相关的区域回路包括:大脑运动皮层的计划,编程和执行;小脑皮层网络的调节和基底神经节的运动控制。这些基本网络回路的模型研究包含丰富的文献。应该重点关注模型研究随意运动的计划,管理和控制,其中包括:

 

A, 大脑运动皮层。大脑运动皮层包括初级运动皮层,辅助运动皮层和前运动皮层。其内部神经元的电位发放和波形信号状态已经在前面描述完毕,但皮层之间的精细连接关系比较复杂,输入和输出没有完全解剖清楚。这里皮层内部采用功能柱的模型构造,皮层区域之间采取感受野的模式连接起来。

 

B, 小脑皮层网络的调节。这里只考虑小脑网络皮层与随意运动紧密联系的区域回路,主要代表是小脑皮层。网络结构的输入是苔藓纤维和攀缘纤维,输出是蒲肯野神经元。小脑皮层网络对大脑运动皮层的精细运动信号起学习调节作用。

 

C, 基底神经节的运动控制。基底神经节包含不同的团块,包括尾状核、壳核、苍白球、丘脑底核、黑质,红核和丘脑。团块之间的连接相对清楚,典型的信息传导通路有直接通路和间接通路。太多的运动功能与基底神经节相关,最值得注意是大脑神经决策确定,帕金森综合症和脑深度刺激治疗,分析脑深度刺激治疗帕金森综合症也是本研究的部分内容。其中丘脑对经过大脑的信号起中继交换作用,一般大脑功能都与丘脑相关。

 

D, 随意运动的皮层管理。上面的大脑皮层网络,小脑皮层网络和基底神经节一起,完成随意运动的计划,编程和控制管理。三个网络区域之间的连接和功能基本清楚,但内在的控制管理机制,各个部分的作用等是这里模型分析的主要任务。

 

从神经元到运动皮层神经回路,大脑现象是神经,认知,心理,数学和计算机等学科的交叉,理论分析和建模模拟已经成为有效的研究方法。本项目就是用模型研究随意运动的皮层管理和控制,探讨大脑皮层运动活动的规律和机理

 

 
 
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