大脑至亚神经元的各级计算框架与认知功能--13.小脑，进化上古老，在运动的基础上参与更多功能-Jia-Guo的财新博客-财新网

小脑是后脑的一部分，负责运动协调，并参与到许多认知功能中。小脑中新的神经元在出生前后迁移到适当的位置，并逐渐相互连接成一个有效的网络。

作为出生时没有立即被天敌虎视眈眈的人类，我们出生时中枢神经系统的预设可能相对较少。由于幼年和青少年期身体各部分的尺寸还在生长，对于负责感官和运动的神经系统来说，一项具有挑战性的任务是既要让自己不太笨拙（被捕食者抓住、甚至不能平稳移动），但也不能失去可塑性，以免各部分发育成熟以后还得作大的修改。例如，随着猫头鹰头部大小的增长，依赖两耳间距的听觉回路（本书第10节）也会相应调整，只有在达到成年后的大小后才会成熟[1]。眼睛得从对侧（小时候跟一般的鱼差不多）移到同侧的比目鱼，神经细胞们可能更需要能改变连接。小鼠等哺乳动物视觉回路在尚未睁开眼睛时候的自发神经活动就有一定的初始设置作用。一种令人愉快的气味可以被记住几十年。

作为后脑（本书第1节）的重要组成部分，小脑接受多种感官的输入，并调节运动[2]。小脑皮质内的主要细胞类型包括浦肯野细胞(Purkinje cells，PCs，图13.1中浅蓝色)，颗粒细胞（Granule cells，GCs，浅绿色），高尔基细胞(Golgi cells，GoCs)，以及在浦肯野细胞的树突上（兴奋性的星状细胞，stellate cells）和细胞体上（抑制性的篮状细胞，basket cells）施加调控的分子层中间神经元(Molecular layer interneurons，MLIs)。浦肯野细胞也有树突棘。作为擦除的方式之一，浦肯野细胞的树突棘还可能被小脑中的免疫细胞吞噬[3]。

图13.1 小脑中神经元连接的发育。（A）人出生前（以孕周为单位）和小鼠出生后小脑发育的对应关系。小鼠E13、E16为胚胎期天数，P0起为出生后天数。（B）小鼠出生后小脑神经元连接的发育过程。EGL，IGL分别为External\Internal granule layer，外层的颗粒细胞比内层的先出现。ML，Molecular layer，即中间神经元层，和大脑的中间神经元类似，也在出生后爬到目标位置发育成熟。PCL，浦肯野细胞层。来自[4]。

小脑也分灰质（皮层）和白质（WM，图13.1），但小脑白质深处还有4对属于灰质的小脑核（cerebellar nuclei，图13.2）。

小鼠大脑等皮层（isocortex，对应人脑的新皮层）中一个典型的锥体神经元有大约8,000个突触[4]。相比之下，据估计小脑中的单个浦肯野细胞可能有大约20万个突触[4]。来自颗粒细胞的每根平行纤维通常与浦肯野细胞形成单个突触，而上行纤维与单个浦肯野细胞形成超过500个突触（图13.2）[4,5]。这种连接能力和健壮性可能是我们从来不会忘记如何骑自行车或如何跳绳的原因之一。虽然那些患有自闭症的人长大后可能不会像小时候那样显得那么笨拙，但是对于自闭症患者，通过小脑的自适应学习通常仍然不像其他人那样容易。

小脑接受来自躯体感觉、视、听等多种感觉输入，经几次神经元整合后，由小脑核输出给丘脑（图13.2），而丘脑再会处理后输出给大脑皮层。不同于传统上认为的，负责输出至小脑核的浦肯野细胞只有一个输出的轴突。最新的研究指出在人类中浦肯野细胞普遍存在输出端的分岔，在小鼠的浦肯野细胞中也偶有这样的情况[6]。类比前文讲到的锥体神经元，浦肯野细胞在输出端的分岔，反映的是亚细胞层面的学习和优化过程，还是功能要求的长期多端输出呢？

图13.2 小脑中的多感官整合。苔藓纤维（Mossy fibre）接受感觉信息，输出给颗粒细胞(浅绿色)整合感觉信息(听觉、视觉和体感)。高尔基细胞(绿色)也参与调节流入小脑的感觉信息。来自复杂刺激的感官信息的整合，比如别人说话，在自闭症患者中受损。来自[4]。

可以看到，小脑与大脑的神经元及其连接既有明显差异，又有一些相似的逻辑。灵长类动物的小脑在承担基本功能的细胞富余的基础上，参与了很多可以被归为认知的功能。

参考文献：

[1] CE, Carr, and Boudreau RE. (1996).“Development of the Time Coding Pathways in the Auditory Brainstem of the Barn Owl.” The Journal of Comparative Neurology 373 (4): 467–483.

[2] Zang, Y., & De Schutter, E. (2023). Recent data on the cerebellum require new models and theories. Current Opinion in Neurobiology, 82, 102765.

[3] Morizawa, Y. M., Matsumoto, M., Nakashima, Y., Endo, N., Aida, T., Ishikane, H., Beppu, K., Moritoh, S., Inada, H., Osumi, N., Shigetomi, E., Koizumi, S., Yang, G., Hirai, H., Tanaka, K., Tanaka, K. F., Ohno, N., Fukazawa, Y., & Matsui, K. (2022). Synaptic pruning through glial synapse engulfment upon motor learning. Nature Neuroscience, 25(11), 1458–1469.

[4] Sathyanesan, Aaron, Joy Zhou, Joseph Scafidi, Detlef H. Heck, Roy V. Sillitoe, and Vittorio Gallo. (2019). “Emerging Connections between Cerebellar Development, Behaviour and Complex Brain Disorders.” Nature Reviews Neuroscience 20 (5): 298–313.

[5] Nguyen, T. M., Thomas, L. A., Rhoades, J. L., Ricchi, I., Yuan, X. C., Sheridan, A., Hildebrand, D. G. C., Funke, J., Regehr, W. G., & Lee, W.-C. A. (2022). Structured cerebellar connectivity supports resilient pattern separation. Nature. https://doi.org/10.1038/s41586-022-05471-w

[6] Busch, S. E., & Hansel, C. (2023). Climbing fiber multi-innervation of mouse Purkinje dendrites with arborization common to human. Science, 381(6656), 420–427.

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