大脑自带“时间操控术”！运动皮层管“暂停”，纹状体负责“倒带”，Nature 揭秘计时核心机制

你有没有想过，为什么我们说话时能流畅地控制语速，打球时能精准地挥拍击球？这些看似简单的日常行为，背后都依赖于大脑对“时间”的精妙掌控。时间看不见摸不着，但我们的大脑却自带一个高精度“计时器”。

近日，一篇发表在国际杂志Nature上题为“Integrator dynamics in the cortico-basal ganglia loop for flexible motor timing”的研究报告中，来自美国马克斯普朗克佛罗里达神经科学研究所等机构的科学家们通过研究发现，大脑中的两个关键区域—运动皮层和纹状体，就像一套“神经沙漏”一样共同协作控制我们的行动时机。

精准的时间控制是生存与生活的基础，从演奏乐器的节奏把控到避开障碍物的瞬间反应，无一离得开它。可一旦这种能力受损，比如帕金森病、亨廷顿病患者，就连起身、迈步这样的基础动作都会变得笨拙紊乱。全球有超过 1000 万人受帕金森病困扰，其中 80% 的患者存在运动定时障碍。

长期以来，科学家知道大脑的运动皮层和纹状体是计时关键区：在自主运动前，这两个区域的神经元会呈现 “斜坡式” 活动 ——神经元在单位时间内产生动作电位的次数随时间逐渐升高，斜率变化能精准预测动作何时启动。但这两个区域活动模式高度相似，又相互协作，要分清它们各自的具体角色，一直是神经科学领域的棘手难题。

为了揭开谜底，研究团队设计了一场巧妙的 “小鼠计时挑战”：他们训练小鼠完成灵活舔水任务——听到听觉提示后，需在 1-3 秒的可变延迟后舔舐水管才能获得奖励，小鼠还会根据之前试次的成败（是否获得奖励）动态调整舔水时机，比如失败后会主动延迟舔水，展现出类似人类的灵活决策。同时，研究人员借助光遗传学技术，用激光短暂抑制其中一个脑区，通过多区域电生理记录，实时观察两个脑区的神经活动变化。

实验结果颠覆了以往认知，呈现出两种截然不同的 “计时操控” 效果：当短暂抑制 ALM（抑制时长 0.6 秒）时，大脑计时器仿佛被按下 “暂停键”——ALM 和纹状体的斜坡活动瞬间停止累积，抑制结束后，神经活动迅速恢复到抑制前的水平，继续 “爬坡”。反映在行为上，小鼠的舔水时间平均延迟 0.47 秒，几乎与抑制时长完全匹配，就像时间被精准定格了一样。

而当短暂抑制纹状体中表达 D1 受体的直接通路投射神经元（D1-SPN）时，计时器则切换成 “倒带模式”——两个脑区的斜坡活动并非骤停，而是逐渐衰减，抑制结束后只能从更低的活动水平重新启动 “爬坡”。这导致小鼠的舔水延迟长达 1.0 秒，远超抑制本身的时长，还使不舔水的试次比例增加 38%，相当于时间被部分 “重置” 了。

多脑区柔性运动定时模型

更令人惊喜的是，研究还发现了计时器的 “柔性调节” 机制：ALM 中的神经元会编码 “试次历史”—— 在两次任务间隔期，就能通过持续的紧张性活动，预判下一次的舔水时机，比如之前失败的试次会让这些神经元活动调整，进而指导后续的计时决策。而 ALM 和纹状体的神经活动还会呈现 “时间伸缩” 特性：面对不同延迟时长，神经元的活动模式会像橡皮筋一样灵活拉伸或收缩，确保无论延迟 1 秒还是 3 秒，都能在正确时间达到动作触发阈值。这种同步的 “时间伸缩”，让两个脑区的计时信息高度耦合，在单个试次层面保持精准同步。

基于这些发现，研究团队提出了清晰的 “神经整合器” 模型：纹状体（及相关皮层下网络）是计时核心的 “信号整合器”，负责接收并累积来自 ALM 的输入信号；而 ALM 既是 “信号发射器”，提供包含试次历史的关键输入，又是 “信号跟随者”，其计时活动会同步跟随纹状体的整合结果。简单说，ALM 就像往 “沙漏” 里持续添沙的装置，纹状体则是承接沙子的容器，当沙子（信号）累积到阈值，就触发动作。抑制 ALM，相当于暂停添沙，沙漏计时暂时中止；抑制纹状体，相当于让已落下的沙子倒流，计时只能从头再来。

这项研究的突破，不仅首次在因果层面厘清了运动皮层和纹状体的分工，更揭示了大脑 “柔性计时” 的核心机制，通过试次历史编码和神经活动的时间伸缩，实现对复杂环境的动态适应。对临床而言，这一发现为运动障碍疾病的治疗提供了全新靶点：未来或许能通过精准调控 ALM 或纹状体的神经活动，帮助帕金森病患者重建运动时序感，让动作重新变得流畅。

从说话的节奏到运动的默契，大脑的 “内置计时器” 早已融入生活的每一个瞬间。这项研究让我们首次看清它的 “操控按钮”，既为理解大脑高级功能打开了新窗口，也为许多受运动障碍困扰的患者点亮了希望。或许在不久的将来，借助脑机接口或神经调控技术，我们就能精准调节大脑的 “时间沙漏”，让更多人重新掌控生活的节奏。（生物谷Bioon.com）

参考文献：

Yang, Z., Inagaki, M., Gerfen, C.R. et al. Integrator dynamics in the cortico-basal ganglia loop for flexible motor timing. Nature (2025). doi：10.1038/s41586-025-09778-2