小腦的大發現,表面積直追大腦

圖片來源:pixabay.com

撰文/陳敦理

小腦長期以來不論在醫療、科學、健康、教育等許多領域都備受忽略,會產生這種現象其實並不讓人感到意外。乍看之下,小腦實在不怎麼出色,體積不大只有大腦的十分之一、位置也不好在大腦後邊下方、功能好像不是很重要,很長一段時間認為小腦的功能就是協調肌肉、維持平衡。說小腦是腦部的邊緣份子似乎也不過份。不過愈來愈多研究發現小腦的功能可不只是協調肌肉、維持平衡,甚至參與許多進階的認知功能,從思考、感覺到情感都有。

小腦皮質的表面積相當驚人

小腦之所以會成為鎂光燈的焦點,與腦部神經細胞的研究有點關係,科學家發現小腦的神經細胞數目是大腦的好幾倍。神經細胞負責傳遞神經訊息的主要功能,讓科學家不禁懷疑小腦可能參與重要運作。美國聖地牙哥州立大學 (San Diego State University) 、英國倫敦大學學院 (University College London) 的科學家與荷蘭、加拿大的團隊合作,使用超高強度的核磁共振造影 (MRI) 掃描小腦,加上特製可以更即時修正程式問題的開放原始碼電腦影像軟體來重新建構小腦皮質。

他們以電腦描繪出小腦皺摺表面,這款特製的影像軟體可以把小腦皮質的每一個小葉展開攤平,計算過後發現人類小腦皺摺的表面積達到 1590 平方公分,有將近大腦皮質的 80%,以相同的儀器和技術建構獼猴的小腦皮質,卻只有大腦表面積的 30%。

小腦漸漸受到科學家重視

發現小腦的表面積將近大腦的 80% 讓許多科學家跌破眼鏡。小腦的體積只有大腦的十分之一,原本假設小腦皮質的摺疊方式與大腦相似,預期小腦的表面積應該會是大腦的 10%,沒想到實際上小腦的表面積居然將近大腦的 80%。這表示小腦皮質摺疊的方式非常複雜,讓它的表面積大幅增加,難怪小腦的神經細胞數目會有這麼多。透過獼猴與人類小腦皮質表面積的差異來分析,可以用來推測人類小腦的功能。一方面獼猴與人類的基因相似度很高,另一方面分析比較人類與獼猴、猩猩的標本、化石,發現人類的小腦體積增加幅度比大腦更多。小腦很有可能在人類獨特的行為像製做工具、語言方面扮演重要的角色。

這並不是第一次得到小腦的掃描影像,只不過小腦以十分複雜的方式摺疊,上方又有大腦擋著,使得之前得到的小腦掃描影像不大清楚。透過先進科技的幫助,超高強度的核磁共振造影可以非常清晰呈現小腦的表面,同時位置更加準確,像是一幅精密的地圖。大腦與小腦雖然有許多相似的地方,卻有幾個地方不大一樣。大腦皮質區域的排列方式和所代表的身體部位十分相似,常常是並排或有一定的次序,在大腦皮質運動區,嘴唇的旁邊是鼻子與下巴。

但是小腦皮質所代表的身體不同區域排列卻像是打散弄亂的拼圖,沒有規律可言,嘴唇旁邊是肩膀,甚至沒有感覺區,視覺、聽覺、觸覺都沒有。雖然小腦皮質對照身體的區域圖看起來似乎雜亂沒有規律,卻可以協助人們進行抽象思考、處理進階概念像是數學方程式。當我們在撰寫專業文章需要解釋概念,小腦就會從許多不同的地方調出我們所需要的資訊。

先前研究也發現小腦是控制腦部獎賞系統迴路的小幫手。科學家找出從小腦直接連到腦部與獎賞系統神經訊息處理、編碼有關的區域。小腦除了負責身體的動作,主要功能其實是協助人們思考、計畫、做決定、集中精神。此外,小腦對酒精十分敏感,這也難怪為什麼喝醉的人,走起路來不但歪七扭八,判斷能力也變得很差。

對於小腦皮質表面更精確、清晰的地圖為科學家的未來研究增加許多不同可能。了解小腦在控制獎賞系統、社交行為所扮演的角色對身心症患者腦部迴路的研究帶來新的亮光,或許可以找出治療自閉症、思覺失調、上癮的方法。另外之前就發現大腦與小腦中間有許多神經連結。對於這些神經連結從大腦的那些地方出去、相關區域的功能已有不少研究,然而到底連接到小腦那些地方?這些部位的功能又是什麼卻仍然不大清楚。小腦研究成為神經科學非常有潛力的新領域,解開這些謎團將是科學家未來努力的新方向。

 

參考資料

1、Martin I. Sereno, Jörn Diedrichsen, Mohamed Tachrount et al. The human cerebellum has almost 80% of the surface area of the neocortex. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2020.
2、Carta, I., Chen, C. H., Schott, A. et al. Cerebellar modulation of the reward circuitry and social behavior. Science, 2019.

人瀏覽過