Абстракт
Мозжечок – это подкорковая структура мозга, которая необходима для обучения и контроля движений. Недавние исследования показывают, что мозжечок также играет роль в определенных перцептивных способностях, выходящих за рамки того, что можно было бы ожидать вторично из-за плохого контроля движений. В этом обзоре рассматриваются эти и другие недавние достижения, уделяя особое внимание тому, как повреждение мозжечка влияет на способности человека, начиная от сенсорного восприятия и заканчивая контролем движений и моторным обучением.

Вступление
Многое из того, что известно о функции мозжечка, основано на исследованиях поражений. Повреждение приводит к характерному двигательному дефициту — например, мозжечковые пациенты нескоординированы или «атаксичны», с плохим контролем конечностей, глаз и ходьбы. Тем не менее, мозжечок связан со многими областями головного мозга, помимо церебральных моторных областей и структур ствола мозга [1]. Таким образом, он играет роль в более широком спектре поведения. В этом обзоре обобщены некоторые из новейших идей о том, как повреждение мозжечка влияет на сенсорное и моторное поведение человека, и выделены важные неизвестные.

Движение
Повреждение мозжечка приводит к плохому контролю движений – например, движения достигают нерегулярности, кривизны, с плохой направленностью и колебательными корректирующими движениями. В течение многих лет велись споры о том, какой вклад мозжечок обычно вносит в контроль над движениями, и как его потеря приводит к этим конкретным аномалиям. Две наиболее популярные идеи заключаются в том, что он действует как таймер для отслеживания движения и других видов поведения, или как внутренняя модель динамики тела, которая может быть использована для прогнозирования движения. Обе эти идеи имеют веские доказательства, хотя последняя может быть лучше подкреплена недавними работами.
Тайминг – неотъемлемая часть управления движением. Здесь под «таймером» подразумевается автономная система с автоматическим темпом, которая может быть использована для измерения любых временных характеристик движения (например, время остановки, скорость). Например, для того, чтобы остановить движение по цели, нужно точно рассчитать время мышечной активности для замедления руки. Существует большое количество литературы, показывающей, что пациенты с мозжечком испытывают трудности с этим типом времени в движении и другом поведении, как показано в [2]. Тем не менее, трудно отличить неработающий механизм синхронизации от нарушенной внутренней модели – и то, и другое может привести к несвоевременному замедлению, как показано в примере с достижением. Внутренняя модель должна быть в состоянии предоставлять информацию по времени, но не выступать в качестве механизма синхронизации как таковой.
Внутренняя модель используется здесь для обозначения хранящегося в мозге набора правил или параметров, которые имитируют физические системы, такие как тело или объекты в окружающей среде [3]. Этот тип модели, иногда называемый форвардной моделью, теоретически позволит нервной системе оценить и предсказать, как двигательная команда повлияет на тело и окружающую среду. Такая модель важна для управления движением, потому что длительные сенсорные задержки от глаз или тела делают периферическую обратную связь слишком медленной, чтобы быть полезной для онлайн-управления [3]. Если, однако, мозг способен делать хорошие прогнозы о состоянии тела (т.е. о его положении и производных), используя внутреннюю модель, то он может полагаться на гораздо более быструю систему «внутренней обратной связи» для управления движением, и, как в нашем примере, останавливать движение к цели. Здесь внутренняя обратная связь используется для обозначения прогнозируемого состояния тела, которое создается внутренней моделью в мозге без периферической обратной связи. Это понятие контроля внутренней обратной связи трудно доказать, так как большинство движений тела занимают достаточно много времени, чтобы использовать как внутреннюю, так и периферическую обратную связь. Из-за этого часто полезны движения глаз в исследованиях – они могут быть сделаны намного быстрее, чем движения конечностей, и, следовательно, выиграют от внутренней обратной связи.
Недавнее исследование ясно показало, что внутренняя обратная связь во время саккад используется для того, чтобы направлять их к цели [4]. Саккады идеально подходят для изучения внутренней обратной связи, так как они быстрые и не сильно зависят от проприоцептивной обратной связи глазных мышц. В этом исследовании саккадная мишень перепрыгивала вертикально вверх или вниз во время горизонтальной саккады (т.е. поперечной оси). По мере того, как испытуемые неоднократно подвергались воздействию ошибки, т.е. прыжка в мишени, саккада начинала изгибаться в сторону цели в конце движения – интерпретация заключалась в том, что саккада использовала внутреннюю обратную связь от прогностической модели, чтобы направить ее к цели [4].

Последующее исследование показало, что испытуемые с мозжечком испытывали трудности с обучением управлению саккадой от этого типа ошибки конечной точки, о чем свидетельствует отсутствие изогнутых путей в конце движения [5*]. Кроме того, мозжечковые пациенты показали специфический дефицит в использовании внутренней обратной связи в конце саккады для коррекции вариативной двигательной инициации, в то время как контрольные испытуемые могли легко это сделать. Важно отметить, что способность пациентов к обучению коррелировала с их способностью исправлять ошибки в двигательной инициации. Интерпретация заключалась в том, что мозжечок обычно корректирует переменные двигательные команды с помощью процесса моторного обучения, который использует внутреннюю обратную связь для управления саккадой.

Существуют и другие исследования, в которых напрямую сравнивались временные и прогностические функции мозжечка. В недавнем исследовании нейровизуализации было проведено прямое сравнение нейронных субстратов для контроля времени и прогнозной оценки состояния с использованием двух задач [6]. Одна задача может быть выполнена с помощью чистого временного сигнала (т.е. нажатие кнопки через определенное время после досягаемости), а другая требует предсказания состояния тела (т.е. нажатия кнопки, когда тянущаяся рука находится в определенном состоянии). Они обнаружили, что мозжечковые активации происходили только в задаче, где использовалось предсказание состояния - мозжечковых активаций, связанных исключительно с задачей синхронизации [6]. Мы также проверили, что лучше всего объясняет результаты задания на рисование круга, когда испытуемые обводят круг рукой и пытаются воспроизвести желаемый темп [7]. Мозжечковые пациенты имеют дефицит, который был улучшен за счет замедления движений — другими словами, они могли нормально производить более медленный темп. Мы предположили, что замедление движения уменьшает необходимость полагаться на внутреннюю модель динамики конечностей. В противоположность этому, добавление внешнего визуального сигнала времени для уменьшения потребности в таймере, похожем на часы, парадоксальным образом усугубило дефицит времени, а не смягчило его. Мы интерпретировали эти объединенные результаты как доказательство того, что мозжечок действительно функционирует как внутренняя модель и необходим для того, чтобы делать соответствующие прогнозы для начала и завершения движения, а не как таймер.

Восприятие
Наше нынешнее понимание состоит в том, что повреждение мозжечка не нарушает первичные сенсорные функции, то есть базовые тесты сенсорного восприятия сравнимы с контрольной группой. В соматосенсорной области пороги обнаружения проприоцепции нормальны [8], и наша группа обнаружила, что кожные чувства, протестированные с помощью монфиламентов, являются нормальными. Существует мало или совсем нет информации о потере слуха из-за повреждения мозжечка как такового. Потеря слуха может возникнуть после инсульта в отделе передней нижней мозжечковой артерии, но это связано с кохлеарным, а не мозжечковым повреждением [9]. Также считается, что острота зрения не страдает, за исключением дефицита движения глаз, такого как нистагм, который представляет собой непроизвольное колебательное или бьющееся движение глаза.
Тем не менее, есть исследования, которые показывают, что повреждение мозжечка может вызвать дефицит восприятия в более сложных задачах. Наиболее изученным примером является визуальное восприятие движения [10**]. Люди с мозжечковым поражением испытывают трудности при выполнении задач, требующих различения скорости зрительного движения [11] и различения направления зрительного движения, встроенного в шум [12–15]. Некоторые исследования показывают, что нарушение направления зрения характерно для лиц со срединным, но не латеральным повреждением мозжечка [12], и дефицит сохраняется от острых до хронических поражений [13]. Существуют противоречивые сообщения о том, влияет ли это на зрительную дискриминацию [11, 14].

Какую роль может играть мозжечок в восприятии зрительного движения? Одна из возможностей заключается в том, что он влияет на восприятие опосредованно, контролируя движения глаз. Повреждение мозжечка почти всегда приводит к глазодвигательным нарушениям, таким как ненормальное плавное преследование, дисметрические саккады, смещение глаз и нистагм во время удержания взгляда [16] – они могут легко повлиять на многие зрительные перцептивные задачи. Тем не менее, недавнее исследование пациентов с мозжечком показало аномальную производительность при выполнении задач зрительного восприятия, несмотря на то, что движения глаз отслеживались и не было никаких отличий от контрольной группы во время критических периодов фиксации [10**]. Таким образом, было высказано предположение, что аномалии движения глаз не могут быть единственным объяснением дефицита зрительного восприятия, описанного у пациентов с мозжечком [10**, 12]. Тем не менее, можно предположить, что существует множество ситуаций, когда дефицит движения глаз влияет на зрительное восприятие.

Также возможно, что мозжечок оптимизирует зрительное восприятие движения через связи с лобными и теменными областями головного мозга. Одна из идей заключается в том, что мозжечок делает сенсорные прогнозы о движении визуальной цели [17]. Это представление согласуется с представлениями о контроле движений человека, где мозжечок, как полагают, делает предсказания о том, как двигательные команды будут двигать тело [18]. Таким образом, мозжечковые цепи могут улучшать обработку информации в других областях мозга, особенно в тех, которые участвуют в обработке динамической (т.е. изменяющейся во времени) информации. В недавней работе проверялось, влияет ли повреждение мозжечка на восприятие движения через дистанционные эффекты в целевых областях головного мозга, что согласуется с этой идеей [10**]. Используя магнитоэнцефалографию, они обнаружили, что повреждение мозжечка приводит к снижению чувствительности коры головного мозга при задаче визуального различения направления движения при различных уровнях шума (рис. 1). Корковая реакция напрямую связана с порогами восприятия у отдельных испытуемых, предполагая, что повреждение мозжечка влияет на зрительное восприятие через снижение функции целевых областей головного мозга.

Рисунок 1. Влияние повреждения мозжечка на зрительную двигательную дискриминацию и реакцию на зрительное движение в теменно-височной коре.
A и B. Схема движущихся точек, показывающих 0% когерентного движения и 60% когерентного движения.
C. Перцептивные пороги для различения направления движения для контрольной группы и мозжечковых пациентов. Мозжечковым пациентам требовался более высокий процент когерентных движений для различения направления по сравнению с контрольной группой.
D. Глобальная мощность поля в головном мозге, измеренная с помощью магнитоэнцефалографии, как функция когерентности движений у пациентов контрольной группы и мозжечка. Обратите внимание, что у пациентов наблюдается снижение мощности глобального поля, особенно при более высоких уровнях когерентности движения. Таким образом, повреждение мозжечка, по-видимому, снижает реакцию мозга на этот тип визуального стимула. По материалам Handel et al. 2009 [10].
Нейровизуализационные исследования также показывают, что мозжечок участвует в визуальной дискриминации движений. Недавнее фМРТ-исследование зрительного и слухового восприятия движений выявило как различные, так и перекрывающиеся активации мозжечка, связанные с задачей [19*]. Активация мозжечка также модулировалась в зависимости от сложности задачи (т.е. количества сигнала движения по сравнению с шумом на дисплее). Другое нейровизуализационное исследование показало активацию мозжечка только во время выполнения задачи, которая требовала предсказания скорости, а не направления визуального курсора после его окклюзии [20]. Эта группа использовала анализ функциональной связности, чтобы показать активацию мозжечка в задней доле, которая была связана с лобно-теменной мозговой сетью. Результаты обоих этих исследований согласуются с идеей о том, что мозжечок обеспечивает сенсорное предсказание для улучшения церебральной функции. Исследование Reilly et al. также предполагает, что активность мозжечка связана только с дискриминацией, требующей временной обработки, поскольку дискриминация направления не активирует мозжечок [20].
Эти данные показывают, что мозжечок играет роль в восприятии зрительного движения, хотя его точный вклад в этот процесс и даже в двигательную функцию до сих пор не изучен. Одна из идей, которая должна быть более формально проверена, заключается в том, что мозжечок делает прогнозы, связанные с функциями различных областей мозга, чтобы оптимизировать их способности. В случае сенсорного восприятия он может предсказывать предстоящие сенсорные события. В случае двигательной функции он может предсказывать результат движения для заданного набора двигательных команд или соответствующую двигательную команду для получения желаемого результата движения (т.е. прямую и обратную внутреннюю модель, [21]). Также важно понимать, нужен ли мозжечок только для прогнозирования динамических (т.е. изменяющихся во времени) явлений. Наконец, следует также отметить, что гораздо меньше известно о влиянии повреждения мозжечка на соматосенсорное или слуховое восприятие. Играет ли мозжечок ту же роль для этих типов перцептивных способностей? Мозжечковые связи не были сопоставлены с соматосенсорными или слуховыми областями, хотя они явно проецируются на ассоциативные области. В соответствии с гипотезой сенсорного предсказания, можно было бы ожидать, что оно будет способствовать процессам восприятия других модальностей.

Обучение
Общепризнано, что повреждение мозжечка ухудшает управляемый ошибками двигательный процесс обучения, называемый адаптацией. Адаптация движений действует для того, чтобы учесть предсказуемые новые потребности в окружающей среде или организме, и происходит в масштабе времени от нескольких минут до нескольких часов. Ошибки частично исправляются от одного движения к другому, и исправления накапливаются до тех пор, пока ошибка не уменьшится. Когда спрос исчезает, движение не сразу возвращается к состоянию до адаптации. Вместо этого он должен быть активно отучен или деадаптирован с помощью аналогичного процесса от испытания к испытанию.
Специфический тип ошибки, называемый ошибкой сенсорного прогнозирования, приводит к мозжечковозависимой адаптации. Это определяется как разница между периферической обратной связью о конечном положении движения и тем, где нервная система предсказывает его [3, 22]. Она неотделима, например, от ошибки в достижении цели. Человек может достичь цели и поразить ее (т.е. не допустить ошибки цели), но при этом иметь сенсорную ошибку предсказания, потому что он движется не туда, куда предсказывал мозг. Это хорошо проиллюстрировано в исследовании дотягивания, в котором невидимая рука использовалась для перемещения компьютерного курсора к цели (рис. 2 [23]). Когда курсор перемещался с постоянным вращением (например, на 30 градусов по часовой стрелке) относительно руки, испытуемые изначально промахивались мимо цели на эту величину. Впоследствии они адаптируют направление досягаемости от испытания к испытанию, чтобы поразить цель. Однако, если испытуемым дать четкую инструкцию прицелиться в цель, которая находится под углом 30 градусов против часовой стрелки от цели, они могут немедленно поразить нужную цель. Тем не менее, несмотря на отсутствие целевой ошибки, все же существует сенсорная ошибка предсказания, то есть курсор не перемещается в предсказанное положение руки. Повторные достижения показывают, что даже при использовании стратегии для попадания в цель, они адаптируются, чтобы уменьшить эту ошибку сенсорного прогнозирования, которая, как это ни парадоксально, уводит их от цели. Этот процесс также зависит от мозжечка, так как у людей с мозжечковым поражением это явление не проявляется (рис. 2 [24*]). После того, как им дается четкая стратегия, они остаются на цели и не демонстрируют никакой адаптации к ошибке сенсорного предсказания [24*].

Рисунок 2. Схема, показывающая адаптацию к визуальному вращению курсора во время выполнения задачи.
A. Типичная реклама. Субъект тянется к визуальному объекту с помощью курсора, представляющего его закрытую руку. На базовой линии курсор перемещается вместе с рукой (зеленая линия), а субъект указывает на указанную цель (зеленая). При ранней адаптации курсор поворачивается на 30 градусов против часовой стрелки, и испытуемый промахивается мимо заданной цели. В поздней адаптации испытуемый научился дотягиваться до 30 градусов по часовой стрелке (пунктирная линия), чтобы переместить курсор на зеленую цель.
B. Когда типичному испытуемому дается стратегия (т.е. прицелиться в желтую цель), он попадает в желаемую (зеленую) цель на ранней стадии адаптации. Несмотря на эту явную стратегию, испытуемый по-прежнему приспосабливается к несоответствию между положением курсора и положением руки (т.е. к ошибке сенсорного предсказания), как показано в поздней адаптации. Это парадоксальным образом приводит к тому, что они промахиваются мимо цели.
С. Люди с повреждением мозжечка могут использовать явную стратегию во время ранней адаптации, но не учатся на сенсорной ошибке прогнозирования на поздних этапах адаптации. Адаптировано из Mazzoni and Krakauer 2006 [23] и Taylor et al. 2010 [24].
Мозжечковый дефицит адаптации проявляется практически во всех типах движений, включая: движения глаз, дотягивание, движения рук, ходьбу и равновесие. Это означает, что пациенты не могут поддерживать оптимальную калибровку для контроля движений, что делает движения неточными, разочаровывающими и небезопасными. Поэтому важно понять, какие двигательные способности к обучению сохранились у этих людей, если таковые имеются, и которые потенциально могут быть использованы для реабилитации.

Недавно мы обнаружили, что мозжечковые пациенты могут улучшить адаптацию к движению, достигающему цели, если возмущение вводится постепенно, в течение многих движений, а не резко за один шаг (рис. 3 [25**]).
Пациенты приспосабливались к протягиванию руки, в то время как силовое поле отклоняло их руку от курса в перпендикулярном направлении. Когда возмущающие силы резко усиливались в полную силу, пациенты с тяжелой атаксией, вызванной повреждением мозжечка, не могли адаптироваться. Когда силы постепенно увеличивались до полной силы на многих участках, те же самые пациенты демонстрировали некоторую способность адаптироваться и противодействовать силе. Таким образом, мозжечковые пациенты лучше обучаются на малых и больших ошибках [25**]. Неизвестно, почему это происходит – возможно, разные области мозга способны приспосабливаться к более мелким и неявным ошибкам, или поврежденный мозжечок может вносить небольшие, но не большие коррективы. Любопытно, однако, что такая простая манипуляция постепенным введением возмущения может улучшить их хорошо известный дефицит двигательной адаптации.

Рисунок 3. Схема, показывающая адаптацию к постепенным и резким силовым возмущениям во время достижения.
A. Резкое возмущение (синяя линия), возникающее при достижении цели, при которой силовое поле включается на полную силу за один шаг. Ошибки высоки как для контрольной (черная), так и для мозжечковой (красная) групп на ранних стадиях адаптации, но после многих достижений контрольная группа адаптируется, чтобы уменьшить ошибку. Мозжечковая группа адаптируется не так сильно, и их ошибки больше в конце адаптации по сравнению с контрольной группой (красным или черным затенением).
B. Постепенное возмущение (синяя линия) медленно нарастает во время адаптации. Как контрольная группа, так и пациенты с мозжечком адаптируются, чтобы противостоять постепенным возмущениям, демонстрируя низкий уровень ошибок на протяжении всего исследования. В конце адаптации, когда силовое поле достигает полной силы, мозжечковые испытуемые обучаются почти так же, как и контрольная группа (красное или черное затенение). Таким образом, мозжечковые больные гораздо более нормально приспосабливаются к постепенным пертурбациям. По материалам Criscimagna-Hemminger et al. 2010 [25].
Остается много вопросов о мозжечково-зависимом моторном обучении. Например, поскольку повреждение мозжечка нарушает некоторые аспекты сенсорного восприятия, влияет ли это на обучение, зависящее от ошибок? Представляется возможным, что неправильное восприятие может привести к более слабому обнаружению ошибок, которые обычно приводят к адаптации. Задействует ли мозжечок преимущественно для адаптации к большим ошибкам, возникающим во время больших возмущений? Это кажется маловероятным, хотя интригует тот факт, что пациенты могут адаптировать движения при небольших и постепенных возмущениях. Какие мозговые механизмы используются для постепенной адаптации? Могут ли другие типы движений, такие как движения глаз и ходьба, выиграть от постепенной адаптации? Важно понять, можно ли использовать постепенные тренировочные процедуры для улучшения движений мозжечка пациента во время реабилитации.

Резюме
Мозжечок тесно связан с мозговыми моторными и немоторными областями [1] и, по-видимому, играет роль во многих типах поведения. Таким образом, повреждение мозжечка не только влияет на координацию движений, но и нарушает некоторые перцептивные способности, такие как визуальное различение движений. Возможная общая функция, которая может объяснить эти дефициты, заключается в том, что мозжечок делает прогнозы для различных областей мозга, чтобы оптимизировать их способности — это может помочь предсказать оптимальные двигательные команды для управления движением и предстоящие сенсорные события для сенсорного восприятия [17]. Необходима дальнейшая работа, чтобы понять, может ли эта гипотеза объяснить, как повреждение мозжечка влияет на другое поведение, и как мозжечок может выполнять эти фундаментальные вычисления.

​Основные моменты

1. > Мы обсуждаем, как повреждение мозжечка приводит к нарушениям поведения и обучения.

• > Контроль движений и визуальное различение движений нарушены.
• > Моторное обучение нарушено, но может быть улучшено с помощью постепенных процедур тренировки.

Благодарности
При поддержке NIH HD040289.


Отказ от ответственности издателя: Это PDF-файл неотредактированной рукописи, которая была принята к публикации. В качестве услуги для наших клиентов мы предоставляем эту раннюю версию рукописи. Рукопись проходит редактирование, верстку и рецензирование полученной корректуры, прежде чем она будет опубликована в окончательном цитируемом виде. Обратите внимание, что в процессе производства могут быть обнаружены ошибки, которые могут повлиять на содержание, и все юридические оговорки, применимые к журналу, относятся к нему.