小腦
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小腦（cerebellum，指「大腦後下方的腦」）是位於後顱窩的腦組織。小腦在運動控制（協調性）、認知功能（如注意和語言等）以及情緒控制（調控恐懼和歡樂等反應）中扮演重要角色[1][2]，其中最為人們確知的是其運動相關功能。小腦不會主動發起動作，但會接收來自脊髓感覺系統和其他腦區的訊號，影響運動協調、精確度和準確的時機控制。小腦通過視丘等通路與大腦皮層相連，從而起到支配運動協調性的作用；下小腦接受來自脊髓小腦徑以及下橄欖核等結構的輸入，整合多方面的資訊，來微調運動的準確性，協調性和連貫性[3]。正由於小腦的功能是「微調」運動技能，所以小腦的損傷不會帶來諸如癱瘓的嚴重症狀，但是會導致精細動作技能、平衡能力、姿勢和動作學習方面的症狀。[3]18世紀的科學研究表明，小腦受損的病人表現出運動協調性障礙；19世紀的小腦研究則主要基於動物損傷實驗。這類實驗發現，動物的小腦受損以後，表現出動作異常、步態笨拙，以及肌肉無力。這些觀察最終使學者得出結論：小腦的主要功能是運動控制。不過，現代生物醫學研究表明，除了運動以外，小腦還有許多其他功能，例如認知功能，注意力和語言處理，音樂處理，在時機控制方面也有重要作用。
在解剖外觀上，小腦是一個位於腦下方的獨立結構，藏在大腦半球之下。小腦與中腦、腦橋基底、延髓相連，可以分為前庭小腦、脊髓小腦與大腦小腦。它的皮質表面遍布著構造精細的平行溝槽，和大腦皮質寬闊而不規則的溝回形成鮮明對比。這些平行溝槽的結構，常常會使人忘記小腦其實是一個連續的薄片狀組織，它像手風琴那樣緊密地折合起來。在這個薄片裡，有多種神經元高度有序地組合，其中最重要的是浦金氏細胞和小腦顆粒細胞。複雜的神經組織賦予了小腦巨大的資訊處理能力，但是幾乎所有的輸出，都經過一個位於小腦內部稱為小腦深部核團的組織。
小腦除了在動作控制方面的功能，它還是多種動作學習，也就是調製感覺-動作關係所必需的器官。人們建立了許多模型，來解釋小腦的突觸可塑性是如何校準感覺和動作的關係。它們大多源於大衛·馬爾和詹姆斯·阿爾布斯的模型，這個模型的基礎，是每個小腦浦肯野細胞都接受兩種完全不同的輸入：一種是來自平行纖維的數千種輸入，另一種是來自爬行纖維的極強的輸入。馬爾-阿爾布斯模型的基本概念是，爬行纖維提供「指導信號」，導致平行纖維輸入強度的長時變化。在平行纖維輸入所觀察到的長期抑制作用支持了這類理論，但是它們的有效性還有爭議。
解剖
在大體解剖學的層面上，小腦包括一個緊密摺疊的皮質，其下是白質，底部是充滿液體的第四腦室。在微觀結構上，白質中埋藏著四個小腦深部核團。皮質的每一部分都包含了同樣的一些神經元組成，形成了高度一致的結構。在介觀結構上，小腦和其輔助結構可以被分為上百或者上千個獨立的功能模塊，稱為「微區」（microzones，或microcompartments）。
小腦位於後顱窩。前方有第四腦室、橋腦和延髓等構造。[4]它與其上方的大腦以一層革質的硬腦膜相隔開，稱為小腦天幕；它與腦的其他部分的所有聯繫都要通過橋腦。解剖學家們將小腦歸為後腦的一部分。後腦是位於菱腦前端的一個區域，橋腦也包含在中腦之內。和大腦皮質一樣，小腦也分為兩個半球，而蚓部位於兩個部分中間。為了方便起見，會通過一些大的皺褶將小腦結構分為10個「小葉」。小腦中含有大量微小的顆粒細胞，所以小腦雖然只占腦體積的10%，但是包含的神經元數量超過腦的其餘部分之和。[5]小腦的神經元數量和新皮質中的神經元數量有聯繫，前者是後者的3.6倍，這個比例在許多不同的哺乳動物身上保持恆定。[6]
小腦在外觀上與其他腦區極為不同，可輕易區分，因其大部分體積由非常緊密摺疊的灰質層——小腦皮質構成。皮層上的凸起被稱作小腦葉。據估計，如果人類小腦皮質完全展開，會是一條長達1米，平均寬度5厘米的神經組織。這塊表面積大約500平方厘米的區域，被塞進一個6 cm×5 cm×10 cm的體積內。[5]在灰質之下是白質，由大量髓鞘化的神經纖維在皮質之間建立聯繫，它有時被稱作小腦活樹，因為它的枝杈形狀像一棵樹，其中埋藏著4個由灰質組成的小腦深部核團。[7]
從外觀上可以把小腦分為三個葉：小腦前葉（位於小腦初級裂的上方）、小腦後葉（位於小腦初級裂的下方），以及小腦絨球小結葉（小腦後裂下方）。這三個部分將小腦從頭端到尾端分開（對於人類來說就是從上到下）。然而從功能上來說，中心-側面維度上的劃分顯得更重要。有獨特聯結和功能的絨球小結葉可以單獨考慮，其餘的小腦部分可以按照功能劃分為中間的脊髓小腦和位於邊緣的更大的大腦小腦[7]。在中央的窄帶上有一個沿著中線的突觸組織，稱為小腦蚓部（vermis，拉丁文意為蠕蟲）[7]。
絨球小結葉是其中最小的部分，常常被稱為前庭小腦。在演化史上，這個區域極早即出現於動物身上，被稱作古小腦（archicerebellum），主要參與平衡和空間定位功能。它主要聯結到前庭核，但是也接受視覺和其他感覺輸入。這一區域的損壞會引起平衡和步態失調[7]。
前葉和後葉的中心部分組成了脊髓小腦，也被稱為舊小腦（paleocerebellum），這個部分的主要功能是精細調節身體和肢體。它接收脊髓背柱（包括脊髓小腦束）傳導的本體感覺，以及三叉神經的輸入，還有視覺和聽覺系統的輸入。此區的神經纖維會伸入小腦深部核團，投射到大腦皮層和腦幹，對下行運動系統進行精細控制[7]。
小腦外側的區域，在人類身上是明顯最大的區域，組成了大腦小腦（cerebrocerebellum），也稱作新小腦（neocerebellum）。它主要通過橋核接受來自大腦皮質（特別是頂葉）的資訊，構成皮質-橋腦-小腦通路。他的資訊主要輸入視丘腹外側，再送至大腦皮質上的前運動區和初級運動皮質。另有一部份則由大腦小腦送入紅核[7]。如何準確地描述小腦側部的功能，目前還存在爭議：人們認為它與即將發生的動作的規劃有關[8]，也為運動提供對感官資訊的評估[7]，還和許多純粹的認知功能有關，例如選擇對於一個名詞最適合的動詞，比如為「椅子」選擇「坐」[9][10][11][12]。
在小腦迴路中扮演主要角色的神經元有兩種：浦肯野細胞和小腦顆粒細胞，而主要的軸突有三種：苔蘚狀纖維、爬行纖維（從外部進入小腦）和平行纖維（作為顆粒細胞的軸突）。在小腦迴路中有兩個主要的通路，發源於苔蘚狀纖維和爬行纖維，終結於小腦深部核團。[5]
苔蘚狀纖維直接投射到深部核團，但是也產生了以下通路：苔蘚狀纖維→顆粒細胞→平行纖維→浦肯野細胞→深部核團。爬行纖維投射到浦肯野細胞，側枝則直接輸出到深部核團。[5]苔蘚狀纖維和攀爬纖維攜帶了各自纖維特有的資訊；小腦也接受多巴胺、血清素、去甲腎上腺素和乙醯膽鹼的輸入，可能是用於全局的調節。[13]
小腦皮質分為三層。底層是較厚的顆粒細胞層，密布著顆粒細胞，也有中間神經元，主要是高爾基細胞，也包括盧加洛細胞和單極刷細胞。中層主要是浦肯野細胞，在這片狹窄的區域裡包括浦肯野細胞和放射狀膠質細胞。頂層是分子層，包括平攤的浦肯野細胞的樹突，以及大量的平行纖維，以直角穿過浦肯野細胞的樹突。小腦皮層的最外層還包括兩類抑制性中間神經元：星狀細胞和籃狀細胞。星狀細胞和籃狀細胞都與浦肯野細胞組成了GABA突觸。[5]
浦肯野細胞是腦中最特別的神經元之一，也是最早辨認出來的一批神經元。它首先是由捷克解剖學家楊·伊萬傑列斯塔·浦肯野於1837年描述，這些細胞因其樹突叢的形狀得到了辨認：樹突叢非常發達，然而高度集中於和小腦溝回垂直的一個平面上。於是，浦肯野細胞的樹突組成了一張緻密的平面網絡，平行纖維以直角穿過它們。[5]它們的樹突為樹突棘所覆蓋，樹突棘接受來自平行纖維的突觸輸入。浦肯野細胞所接受的突觸輸入多於腦中的任何其他細胞，人類的單個浦肯野細胞的樹突棘數量高達200000個。[5]浦肯野細胞巨大、球形的細胞體組成了小腦皮質中薄薄的一層，只有單個細胞的厚度，稱為「浦肯野層」。它們的軸突側枝伸入鄰近的皮層區域，軸突則到達小腦深部核團，每一個細胞都在一個相當小的區域內和上千個各種類型的細胞聯結。浦肯野細胞使用GABA作為神經遞質，所以對於突觸後細胞產生抑制作用。[5]
浦肯野細胞形成了小腦迴路的核心，它們較大的體積、特殊的活動模式，使其相對易於使用細胞外場電位技術來記錄它們的反應模式。浦肯野細胞通常會保持高頻率的動作電位發放，即使在沒有突觸輸入的情況下。對於通常清醒的、行動中的動物，典型的平均速率是大約40Hz。動作電位脈衝表現為兩種脈衝的混合，分別成為簡單脈衝和複雜脈衝。簡單脈衝是單個動作電位，緊接著大約10ms的不應期；複雜脈衝是一些固定模式的動作電位序列，其中有非常短的脈衝之間的間隔，脈衝數量逐漸減少。[15]生理學研究表明，複雜脈衝（基頻大約為1Hz，最高不會超過10Hz太多）和爬行纖維的活動有可靠的關聯；而簡單脈衝是由基線活動和平行纖維的輸入共同產生的。複雜脈衝之後通常會有一個數百微秒的停頓，在此期間簡單脈衝的活動被抑制。[16]
小腦顆粒細胞和浦肯野細胞不同，是腦中最小的細胞之一。它們也是腦中數量最多的神經元：人類的顆粒細胞數量據估計大約平均為500億個，這意味著腦中大約3/4的神經元都是小腦顆粒細胞。[5]它們的細胞體組成了小腦皮層底部的厚厚一層。一個顆粒細胞僅僅長出4-5個樹突，它們的末端膨大，稱為「樹突爪」（dendritic claw）。[5]這些膨大上分布著苔蘚狀纖維的興奮性輸入和高爾基細胞的抑制性輸入。[5]
顆粒細胞纖細而沒有髓鞘化的軸突，垂直地伸入小腦皮質的上層（分子層），它們在此分為兩支，分別水平反向延伸形成了平行纖維；垂直的纖維與水平的兩支纖維形成了獨特的「T」形。人類的平行纖維每一側平均長度為3mm，總長度就是6mm，相當於皮質層寬度的1/10。[5]在平行纖維經過的浦肯野細胞的樹突叢中，每3-5個就會有一個形成聯結，總共會和浦肯野細胞的樹突棘形成大約80-100個突觸聯結。.[5]顆粒細胞使用穀氨酸作為神經遞質，所以對於突觸後細胞起著興奮作用。[5]
顆粒細胞所有的輸入都是來自苔蘚狀纖維，但是在數量上是苔蘚狀纖維的200倍（人類的情況）。所以，會有很多的顆粒細胞的活動資訊來源於同樣的苔蘚狀纖維，但是它們會以很多不同的方式來編碼。因為顆粒細胞很小，而且排列緊密，所以在活的動物身上記錄它們的活動非常困難，所以可用作建立理論模型的數據很少。最廣為人知的功能理論是大衛·馬爾於1969年提出的，他認為顆粒細胞可以編碼苔蘚狀纖維輸入之間的關係。因為每一個顆粒細胞都會接受4-5根苔蘚狀纖維的輸入；然而如果只有一根纖維有輸入活動，那麼顆粒細胞不會有反應；如果有一根以上的輸入，則可以激活。小腦的這一聯合編碼框架，使得它有能力對於輸入模式進行更精細的區分，比苔蘚狀纖維自身的能力更強。[17]
苔蘚狀纖維伸入顆粒細胞層，它們的發源地一些來自橋核，另一些來自脊髓和前庭核等等。在人類小腦中，苔蘚狀纖維的總數有大約2億。[5]這些纖維和顆粒細胞和小腦深部核團的細胞形成興奮型突觸。在顆粒細胞層里，苔蘚狀纖維形成一系列稱為「玫瑰結」（rosettes）的膨大結構。苔蘚狀纖維和顆粒細胞樹突的聯結形成於稱為顆粒小球的結構中。每一個顆粒小球中心都有苔蘚狀纖維的玫瑰結，多達20個的顆粒細胞樹突爪和它連接。高爾基細胞的終端伸入這個結構，在顆粒細胞的樹突上形成抑制性突觸。這一整個組織由膠質細胞組成的殼包圍著。[5]每一個苔蘚狀纖維伸出側枝到許多小腦葉，總共會形成20-30個玫瑰結；這樣，每個苔蘚狀纖維會與大約400-600個顆粒細胞形成聯結。[5]
浦肯野細胞也接受來自位於腦幹兩側的下橄欖核通過爬行纖維（Climbing fiber也成為攀援纖維）的輸入。雖然下橄欖核位於延髓，接受來自脊髓、腦幹和大腦皮質的輸入，但是它的輸出全部指向小腦。爬行纖維在到達小腦皮質之前，從兩側伸向小腦深部核團，在此分出大約10條終端枝杈，每一條聯結到一個浦肯野細胞。[5]每一個浦肯野細胞只接受一條爬行纖維的輸入，和來自平行纖維的上10萬個輸入形成鮮明對比。但是這單獨的一根爬行纖維「攀援」著浦肯野細胞的樹突，纏繞並形成多達300個突觸。[5]這個網絡提供非常強的輸入，只要一個來自爬行纖維的動作電位輸入，就會造成浦肯野細胞的一個持續的複雜脈衝：包含許多數量逐漸衰減的脈衝的序列，其後有一段活動抑制的暫停時間。爬行纖維的軸突覆蓋了細胞體和臨近的軸突；在這個區域裡，缺少平行纖維的輸入。[5]
爬行纖維以低速率激活，但是爬行纖維的單個動作電位就可以引起目標浦肯野細胞的許多激活。浦肯野細胞接受的平行纖維和爬行纖維的輸入數量上，相差近10萬倍，可能是小腦解剖學中最驚人的事實。這也成為建立理論的重要驅動力。事實上，爬行纖維的功能是小腦研究領域最具爭議的課題，主要思路分為兩個派別，其一追隨馬爾和阿爾布斯，堅持爬行纖維的輸入主要是作為教導信號；另一派認為它的功能是直接塑造小腦的輸出。這兩種觀點在許多出版物上都各有大量的支持。正如有人評論所說：「當你試圖將爬行纖維的功能假說綜合起來的時候，感覺就像是在看埃舍爾的畫。每一種觀點看起來都符合某一些發現，但是如果你試圖將不同的觀點放在一起，卻無法形成關於爬行纖維功能的協調圖像。對於大多數研究者，爬行纖維作為動作的校準信號，不管是發放頻率調節的正常方式或者作為「出乎預料」事件的信號。對於其他研究者，在爬行纖維群中包含了神經元組同步和節律的信號。」[16]
小腦深部核團是一組深藏在小腦核心部位的白質內部的灰質。除了鄰近的前庭核以外，它們幾乎是小腦皮質唯一的輸出管道。這些核團接受來自苔蘚狀纖維和爬行纖維的兩側投射，以及小腦皮質中的浦肯野細胞的抑制性輸入。它分為四個核團，分別為齒狀核、球狀核、栓狀核和頂核，其中球狀核與栓狀核有時會被合稱為中間核。它們都與腦和小腦皮質中的不同部分聯結。頂核與中間核屬於脊髓小腦的一部分。哺乳動物的齒狀核要遠大於其他動物的，是一片捲曲的灰質薄片，主要與小腦皮質的兩側形成聯結。小腦中的絨球小結葉是小腦皮質中唯一不投射到深部核團的部分，它輸出到前庭核。[5]
深部核團中的大部分神經元具有較大的細胞體，球狀的樹突叢半徑大約為400μm，使用穀氨酸作為神經遞質。這些細胞投射到小腦以外的許多區域。在它們中間也有少數較小的細胞，使用GABA作為神經遞質，只投射到下橄欖核，爬行纖維的發源處。因此，深部核團-橄欖核的投射提供了一個抑制性的反饋，和爬行纖維到深部核團的興奮性投射相對應。有證據表明，深部核團中的每一組小的細胞團塊，都會投射到下橄欖核中將爬行纖維投射到其上得那一團神經細胞；這個雙向投射呈現強烈的拓撲吻合。[5]
當浦肯野細胞的軸突進入一個深部核團，它的分叉會和其中的大小細胞都建立聯結。在貓的小腦中，其總數目大約只有35個；相比之下，單個深部核團細胞會接受大約860個浦肯野細胞的輸入。[5]
從大體檢剖學的角度來說，小腦皮質看起來是一片勻質的組織；對於微觀解剖學來說，這片組織的所有部分都有幾乎相同的內部結構。然而，小腦也可以按照結構劃分為一些部分。其中較大的劃分為區域（zones），它們由許多更小的區域組成，稱為微區（microzones）。[18]
關於小腦皮質結構劃分的最初認識，來自於關於其中細胞感受野的研究。[18]身體的每一部分在小腦中都投射到特定的點，然而這個映射圖中有許多重疊區域，組成了稱為「有縫軀幹地圖（體感皮質定位圖）」。[19]分區的明確跡象是在對小腦的特定蛋白質進行免疫染色的過程中發現的，其中最有名的稱為「斑馬」（zebrins），因為它們的染色圖案呈現出類似斑馬的花紋。「斑馬」的條紋和其他區域標記都和小腦溝回垂直，這意味著它們在中側方向狹窄，但是在縱向較長。不同的標記方式會呈現出不同的條紋，代表功能定位區域的長度和寬度都有變化，但是它們的大致形狀都是一致的。[18]
在1970年代後期，奧斯卡松（Oscarsson）提出，這些皮質區域可以被分為更小的單位，稱作微區（microzones）。[20]微區定義為一組具有同樣的體感皮質定位感受野的浦肯野細胞。一個微區大約包含1000個浦肯野細胞，形成長條形的窄帶，和皮質溝回垂直。[18]如右圖所示，浦肯野細胞的樹突延伸方向與微區一致，而平行纖維以直角穿過它們。[5]
定義微區結構的並不僅僅是感受野：來自下橄欖核的爬行纖維輸入同樣重要。爬行纖維的分支（通常大約為10條）通常會刺激屬於同一個微區的浦肯野細胞。不僅如此，輸入同一微區的爬行纖維所起源的下橄欖核細胞通常會以間隙連接相連，導致其活動同步，從而該微區內的浦肯野細胞也會以毫秒尺度同步發放複雜脈衝。[18]另外，屬於同一個微區的浦肯野細胞還會將軸突伸向小腦深部核團中的同一組神經元。[18]最後，籃狀細胞的軸突在縱向會比中側向長很多，使得它們很大程度上屬於單個的微區。[18]這些結構說明，同一微區之間神經元的聯繫，比不同微區之間的要強得多。[18]
2005年，理察·阿普斯（Richard Apps）和馬丁·伽爾維茨（Martin Garwicz）發現多個微區可以組成一種更大的單位，稱為「多區微組合」（multizonal microcomplex）。這種微組合包含許多空間上分散的皮質微區，它們都投射到同一組深部核團細胞，投射到該組深部核團細胞的同一組下橄欖核細胞，也會投射到它們。[18]
功能
探索小腦功能最有力的線索，就是檢查其損傷帶來的後果。動物和人類的小腦功能損壞所帶來的後果是，損壞的小腦同一側的身體的動作控制出現問題。他們仍然可以做動作，但是失去了精確度，動作不穩定、笨拙，或者把握不准恰當的時機。測量小腦功能的標準測試是，用指尖伸向一手臂遠的目標：健康人會以筆直的軌跡移動指尖，但是小腦損傷的患者的伸手指動作緩慢且不穩定，中途會有許多次修正。檢測運動之外的其他功能喪失更困難。所以，直到最近十幾年人們才得出結論，小腦的基本功能是計算運動的準確形式，而不是發起運動或者決定以哪種方式運動。簡單來講，就是協調全身肌肉活動、維持身體平衡。[7]
在1990年以前，人們普遍相信小腦的功能純粹只是運動相關的，但是新的發現使得人們對這個觀點產生了疑問。功能性影像研究展示，小腦的功能與語言、注意和精神影像有關；相關的研究顯示了小腦和大腦皮質的非運動區域存在關聯；人類的許多非運動的症狀被確認為和小腦的損傷有關。[21][22]特別是成人[23]與兒童[24]的小腦性認知與情感症候群（CCAS）得到了描述。基於對小腦的功能性磁共振成像掃描所作的估計，表明多於一半的小腦皮質區域和大腦皮質的對應區域有聯繫。[25]
銅谷賢治（Kenji Doya）提出，與其使用小腦所參與的行為來定義它的功能，不如轉而使用小腦所進行的神經計算方式來定義；小腦包含大量相對獨立的模塊，都具有同樣的內部幾何結構規則；所以，可以認為它們在進行同樣的計算。如果一個模塊的輸入和輸出聯結到運動區域（許多模塊如此），那麼這些模塊就和運動行為相關；如果它與其他非運動認知區域聯結，那麼這個模塊就和其他的行為相關。所以，小腦和許多不同的功能特性的調整相關，例如感情、情緒與行為。[26][27]銅谷提出，小腦的功能可以被理解為基於「內在模型」的動作預測；或者是一個監督式學習的裝置。它和基底核不同，後者相當於進行強化學習，而大腦皮質進行的是非監督式學習。[22][28]
小腦的解剖結構相對簡單而規律，使得人們很早就期望它的功能也是如此簡單，在最早的一批小腦電生理學的著作中就表達出這樣的願望：在約翰·卡魯·埃克爾斯、伊藤正男和János Szentágothai所著的《小腦作為神經機器》（The Cerebellum as a Neuronal Machine）中就是如此。[29]雖然對於小腦的完全理解還尚未達成，但至少已經發現了四條重要的定律（1）前饋過程；（2）分散與匯聚；（3）模塊化；（4）可塑性；
- 前饋過程：小腦和其他腦區的最主要不同（特別是和大腦皮質的不同），是它的信號處理方式幾乎都是前饋的。這意味著信號單向地從輸入到輸出，內部的複雜環路非常少。少數的環路也是互相抑制的，小腦中沒有互相興奮的環路。小腦的前饋模型意味著，它和大腦皮質相比缺乏產生自我維持的神經活動模式的能力。進入迴路的信號會按照既定的順序一步步處理，然後離開。就如埃克爾斯、伊藤和Szentágothai所寫道：「在小腦的設計中排除了所有的興奮性神經環路，對於它以計算機的方式運行無疑是巨大的好處，因為神經系統其它部分對於小腦的要求，大概不是複雜迴路運行導致的輸出，而是對於特定資訊快速而清晰的回應。」[30]
- 分散與匯聚：在人類的小腦中，來自大約2億根苔蘚狀纖維的輸入資訊分散到約400億的小腦顆粒細胞，它們的平行纖維涵蓋了1500萬浦肯野細胞。[5]基於它們縱向的排列方式，同屬一個微區的大約1000個浦肯野細胞會接受來自大約1億根平行纖維的輸入，然後它們自己的輸出會集中到不超過50個小腦深部核團細胞中。[18]所以，小腦網絡接受不多的輸入，然後通過自身嚴格構建的網絡進行大量的處理，最後輸出到數量非常有限的細胞。
- 模塊化：小腦系統按照功能分成某種程度上相互獨立的模塊，這樣的模塊有數百個或者上千個。所有的模塊內部結構都類似，但是輸入和輸出不同。一個模塊（按照阿普斯和伽爾維茨的稱呼，稱為多區微組合（multizonal microcompartment））包含了下橄欖核中的一小團細胞，小腦皮質中的一個窄條里的浦肯野細胞（微區），以及一個小腦深部核團里的一小組神經元。不同的模塊會分享來自苔蘚狀纖維和平行纖維的輸入，但是在其他方面它們的功能是獨立的——一個模塊的輸出並不顯著影響其他模塊的活動。[18]
- 可塑性：平行纖維和浦肯野細胞之間的突觸，以及苔蘚狀纖維和小腦深部核團之間的突觸，都是可以改變強度的。在單個小腦模塊里，來自多達上10億的平行纖維的輸入轉換進入少於50個深部核團細胞，而每個平行纖維對於核團細胞的輸出都是可調節的。這樣的結構組合，使得小腦對於輸入和輸出信號之間的精細調整擁有巨大的可塑空間。[31]
有許多證據表明，小腦在某些類型的動作學習中扮演著重要角色。小腦參與的任務中，最明確的是那些需要精細調節的動作執行。學習過程究竟是發生在小腦自身內部，或者它只是給予信號以促進腦的其他結構進行學習，人們還存在爭議。[31]將學習過程歸於小腦迴路的大部分理論都是大衛·馬爾[17]和阿爾布斯（James Albus）的觀點的延伸。[32]他們認為，爬行纖維提供指導信號，用於引導平行纖維-浦肯野細胞的突觸塑造。[33]馬爾假設，爬行纖維的輸入會導致同步激活的平行纖維輸入得到強化。大部分之後的小腦學習模型都是採用了阿爾布斯的假設，即爬行纖維的激活是一個誤差信號，會導致同步激活的平行纖維輸入弱化。一些之後的模型，像是「自適應濾波器」模型，[34]使用了最優控制理論來理解小腦功能。
多個實驗研究對於爬行纖維的活動是誤差信號的理論進行了驗證，一些實驗支持這個理論，但是另一些結果表示存疑。[16]在1977年吉爾伯特和塔赫（Gilbert and Thach）的先驅實驗中，猴的浦肯野細胞在學習取物任務中，在動作減少的周期里表現出複雜脈衝的增加，這個過程已知和爬行纖維的輸入活動有關。[35]對於動作學習的許多實驗中，觀察當貓的設想動作和實際動作之間存在差別時會出現複雜脈衝。在對於前庭-眼球反射（用於在頭部運動時穩定視覺影像的反射）的研究中，發現爬行纖維的活動會在視網膜滑移（retinal slip）時發生，雖然並不非常直接。[16]
在古典制約中，眨眼條件反射是最為詳盡地得到研究的小腦學習過程之一，其中中性的條件刺激（CS），比如聲音或者光；重複地和非條件刺激（US），類似會導致眨眼反射的吹氣一起出現。當CS和US重複地同時出現，就會在US出現之前單獨由CS引起條件反應（CR）。實驗表明，在中間核（小腦深部核團中的一個）的一個特定部分，或者小腦皮質中的一個特定部分被損壞之後，眨眼條件反射的學習功能便消失了。如果小腦的輸出被藥物抑制了，但是它的輸入和小腦內部迴路仍然保持運作的話，學習過程還可繼續，即使動物沒有做出任何回應；但是如果小腦內部的迴路中斷了，則無法學習。這些結果明確表示學習過程發生在小腦內部。[36]
人們關於小腦的豐富基礎知識，從解剖結構到行為功能，使得小腦成為了理論模型的沃土。關於小腦的理論模型可能比腦其他任何部分的都要多。這些理論可以最粗略地分為「學習理論」和「執行理論」兩種，也就是說，根據小腦的突觸可塑性來將其描述為學習的角色，還是將小腦作為運動中信號處理的一部分。這兩類理論中有很多都完成了數學模型化並且進行了計算機模擬。[33]
瓦倫蒂諾·布瑞滕堡的「延遲線」理論可能是最早的「執行」理論。這個理論的最早版本由布瑞滕堡和羅傑·阿特伍德（Roger Atwood）於1958年提出，他們認為信號在平行纖維中複製的延後版本可以使得小腦在一定時間窗口內檢測信號的時間關係。[37]實驗數據並不支持這個理論的最初版本，但是布瑞滕堡繼續改進他的模型。[38]小腦作為時間系統的功能假說也得到了理察·伊夫里（Richard Ivry）的支持。[39]另一個著名的執行理論是張量網絡理論，由佩里奧尼茨（Pellionisz）和魯道夫·里納斯提出，對小腦的基本計算功能，將感覺轉換為運動調整作了進一步的數學描述。[40]
而「學習」類型的理論則幾乎都是馬爾和阿爾布斯的論文的衍生。馬爾1969年的論文提出，小腦是一個將爬行纖維所編碼的基本動作和苔蘚狀纖維編碼的環境感覺資訊輸入聯繫起來的裝置。[17]阿爾布斯於1971年提出，小腦的浦肯野細胞的功能類似於感知器，一種根據神經元結構設計的學習裝置。[32]馬爾和阿爾布斯理論的最基本區別是，馬爾假設爬行纖維的激活會導致平行纖維突觸的加強，而阿爾布斯則認為它會減弱。阿爾布斯將他的理論編寫為稱為CMAC（小腦模型表達控制器，Cerebellar Model Articulation Controller）的軟體，在許多應用上經過了測試。[41]
臨床表現
小腦功能障礙的最明顯症狀是和運動相關的。小腦不同區域不同程度的損傷會產生不同的症狀。小腦的絨球小結葉（前庭系統部分）的損壞會帶來平衡喪失，特別是步態異常，人會保持張開手腳的姿勢，表現出保持平衡的困難。[7]兩側區域或者說「大腦小腦」的損壞，會導致熟練的自發和規劃的活動發生困難。這會給運動的力量、方向、速度和次數帶來錯誤。一些表現包括肌肉低張力症（肌肉力量減退）、構音障礙（語言發音出現問題）、辨距不良（估計距離或者動作幅度的問題）、輪替動作障礙（無法做出迅速變化的動作）、反射檢查損傷或者「回縮現象」，以及意向性震顫（因為拮抗肌肉的不協調而產生的非自主的運動）。[42]中線部分的損傷可能影響身體整體的運動，而越是靠近側面的損壞就越是可能影響手或者肢體。小腦上部的損傷更可能會影響步態以及其他腿部的協調問題，而下部的損傷更可能導致手臂與手的失調或者運動時難以對準目標，以及速度失調。[7]這些運動症候群統稱為失調（ataxia）。
神經系統檢查被用來判斷小腦的損傷，它包括對步態的評估（寬基步態（broad-based gait）會被診斷為失調），伸手指測試和姿勢評估。[3]如果確認了小腦功能缺失，就可以用核磁共振成像來獲得圖像，找出任何可能的功能異常。[43]
可能導致小腦損傷的醫學問題有一個很長的名單：包括腦卒中、出血、腦水腫、贅生物、酗酒、物理創傷（比如槍傷）、以及慢性變性病症，像是橄欖核橋腦小腦萎縮症。[44]某些類型的偏頭痛也會導致小腦的暫時失去功能，強烈程度不一。[45]類似傳染性海綿狀腦病的感染也會引起小腦的損傷，[46]還有米勒費雪症候群，格林－巴利症候群的一個變體。
人類的小腦會隨年齡變化。這些變化和腦的其他部分不同。
在百歲老人的腦中（以及整個身體中），小腦是最年輕的部分，這是通過被稱為衰老生物鐘，一種表觀遺傳的測量組織年齡的生物工具得出的結論：百歲老人的小腦比預期的要年輕15歲左右。[47]更進一步地，小腦的基因表達模式比起大腦皮質來更少出現年齡相關的異常。[48]一些研究報告了小腦細胞數量或者組織體積的減少，但是這個數字對於該問題來說並不大。[49][50]
先天畸形、遺傳失調和後天環境都可以影響小腦的結構，從而影響小腦的功能。除非致病環境可以回復，唯一可能的治療方案就是幫助人們適應他們的問題。[51]
小腦蚓部的先天畸形或者發育不全會導致丹迪-沃克症候群與茹貝爾症候群。[52][53]在非常罕見的情況下，整個小腦都可能缺失。[54]遺傳性的馬查多-約瑟夫病、共濟失調微血管擴張症候群以及弗里德賴希氏共濟失調會導致逐步的與小腦損傷相關的神經變性。[44][51]小腦之外的先天腦畸形也會引起小腦扁桃體疝，在一些類型的阿諾德-基亞里畸形會出現。[55]
其他和小腦變性有密切關係的情況包括自發的慢性神經系統失調多系統萎縮症和一型膝狀神經節症候群，[56][57]以及自免疫失調附腫瘤性小腦變性，由於身體其他地方的腫瘤啟動了自免疫反應導致小腦神經元受損。[58] 維生素B1的極度缺乏可以導致小腦萎縮，可見於腳氣病和科爾薩科夫氏症候群，[59]，維生素E的缺乏也會有同樣的後果。[51]
小腦萎縮也見於其他神經系統病症，包括亨丁頓舞蹈症、多發性硬化症、[46] 原發性震顫、進行性肌陣攣性癲癇以及尼曼匹克症。暴露在有毒物質中也會導致小腦萎縮，例如重金屬，醫藥性或者娛樂性藥物。[51]
比較解剖學與演化
不同綱的脊椎動物的小腦迴路都很類似，包括魚、爬行動物、鳥和哺乳動物。[60]在腦部發達的頭足綱動物中也有類似的腦結構，例如章魚。[61]據此，人們認為小腦對於所有動物物種來說都扮演著重要的功能。
不同的脊椎動物物種之間，小腦的形狀和大小相差非常大。對於兩棲動物來說，小腦發育很少；對於七鰓鰻和盲鰻來說，很難從腦幹中辨識出小腦。雖然在這幾類物種中脊髓小腦已經出現，但是最主要的結構還是一對小的核團，相當於前庭小腦。[62]爬行動物的小腦稍大一些，鳥類的要大得多，而哺乳動物的更大。人類和典型的哺乳動物擁有大型、成對和有溝回的小腦葉，而其他動物的小腦僅僅有一個中等大小的小腦葉，而且要平滑得多，或者僅僅稍有溝槽。哺乳動物的新小腦是小腦中重量最大的部分，但是其他的脊椎動物中最大的是脊髓小腦。[62]
軟骨魚和硬骨魚的小腦異常大而複雜。在至少一個重要方面，它和哺乳動物的小腦內部結構不同：魚的小腦並不包含分離的小腦深部核團。作為替代，浦肯野細胞的初級投射會指向小腦皮質中分散分布的一類特定細胞，而這種細胞不見於哺乳動物。象鼻魚科（一種擁有弱電場感應能力的淡水魚）的小腦非常大，超過腦的其餘部分的總和。它的特殊結構中最大的部分稱為「瓣膜」（valvula），擁有不尋常的內部結構，大部分輸入來自於電感覺系統。[63]
哺乳動物小腦的明顯特徵是兩側葉的增大，它們主要與新皮質發生聯繫。當猴演化為大猿，側葉繼續增大，伴隨著屬於新皮質的額葉增大。對於古人科動物和更新世之前的智人，小腦持續增大，但是額葉增大得更快。而在人類演化的最近期，實際上伴隨著小腦相對尺寸的增大，而當小腦增大時，新皮質的尺寸縮小。[64]人類的小腦和腦的其他部分相比尺寸增加，而大腦尺寸減小。[65]伴隨著運動任務的發展和執行以及視覺空間的技巧和學習都在小腦中發生，小腦的增長被認為和人類的發達認知能力有關。[66]人類和猿的小腦的兩側半球要比猴的大2.7倍。[65]小腦尺寸的變化不能用更多的肌肉數量來解釋。小腦的增長要麼和腦其他部分相關，要麼小腦中的神經活動對於人科的演化非常重要。基於小腦在認知功能中扮演角色，它的尺寸增大可能與認知的擴展有關。[65]
許多脊椎動物擁有在細胞結構和神經化學上類似於小腦的腦區域。[60]其中唯一在哺乳動物里發現的是背側耳蝸核（DCN），直接從耳蝸神經接收輸入的兩個主要的感覺核團之一。DCN有分層的結構，底層包含和小腦中相似的顆粒細胞，伸出平行纖維到達表層，然後水平地穿過它。表層包括一組GABA能的神經元，稱為車輪細胞，在解剖學和化學上類似於浦肯野細胞。它們接收平行纖維的輸入，但是沒有類似於爬行纖維的輸入。DCN的輸出神經元是錐體細胞。它們是顆粒狀的，但是也在某些方面和浦肯野細胞相似：它們擁有多棘的、扁平的上層樹突叢，接收來自平行纖維的輸入，然而它們也有底部的樹突，接受來自聽覺神經纖維的輸入。聽覺神經纖維穿過DCN時與平行纖維呈直角相交。DCN在齧齒動物和其他小動物身上得到最高度的發展，但是在靈長類身上明顯減小了。它的功能還沒有被很好地理解；最流行的解釋將它以各種方式和空間聽力聯繫起來。[67]
大部分種類的魚和兩棲動物擁有體側線系統來感覺水中的壓力波。腦中一個接收側線器官初級輸入的部分，稱為中聽側核（medial octavolateral nucleus），擁有類似小腦的結構，包括顆粒細胞和平行纖維。擁有電感覺的魚類，電感覺器官會輸出到背聽側核（dorsal octavolateral nucleus），它的結構也類似於小腦。輻鰭魚（魚中最大的一類）的上丘的邊緣層（marginal layer）也和小腦類似。[60]
所有這些類似小腦的結構似乎都是與初級感覺有關，而不是和運動有關。它們都具有顆粒細胞，會伸出平行纖維連接到類似於浦肯野細胞，具有突觸可塑性，但是都沒有類似於小腦的爬行纖維的結構。作為替代，它們直接接收來自周圍感覺器官的輸入。它們的功能都不甚明了，但是最有影響力的猜測認為，它們將感覺輸入轉換為處理過的形式，可能回用於調整身體姿勢。[60]事實上詹姆斯·M·鮑爾等人就基於對這些結構和對於小腦的研究，提出小腦自身其實根本上是一個感覺結構，而它對於動作控制的貢獻，是通過控制感覺信號來控制身體動作的。[68]和鮑爾的觀點不一致的是，也有強烈的證據表明哺乳動物的小腦直接影響了動作輸出。[69][70]
歷史
最早期的解剖學家就能夠辨識出小腦，因為它的外觀如此特別。亞里斯多德和赫洛菲洛斯（由蓋倫所引用）將其稱為parencephalis，以便和encephalon也就是腦相對應。蓋倫關於小腦的描述是現存最早的詳細描述。他懷疑小腦是運動神經的發源地。[71]
然而，直到文藝復興時期這方面都沒有明顯的進展。維薩里簡單地討論了小腦，而托馬斯·威利斯於1664年更詳盡地描述了它。在18世紀，人們進行了更多的解剖工作，但是在19世紀之前，人們並沒有形成對小腦功能的任何見解。路易吉·羅朗多於1809年發表了重要發現，小腦的損傷會導致動作失調。讓·皮埃爾·弗盧龍於19世紀上半葉進行了仔細的實驗工作，揭示了動物在小腦損壞之後仍然可以存活，但是會失去協調性（奇怪的動作、笨拙的步態和肌肉虛弱），而動物在損傷後可以幾乎完全恢復，除非損傷很徹底。[72]到了20世紀初，小腦首要功能是運動控制的觀念已經被廣泛接受；在20世紀上半葉，出現了一些和人類小腦疾病相關的臨床症狀的詳細描述。[3]
小腦的英文名稱cerebellum來源於cerebrum（腦）；[73]也就是「小的腦」的意思。其拉丁文是古希臘文Παρεγκεφαλίς（parencephalis）的直譯，亞里斯多德在他的著作中使用了這個詞，他是已知最早對小腦作描述的作家。[74]中文裡的詞語「小腦」，最早出現於英國傳教士合信氏1851年所著《醫學五種》的《全體新論》中。書中也介紹了小腦的功能：「則小腦當動作之主矣」。[75][76]
參見
參考文獻
外部連結
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