动物在面对复杂环境或行为任务时，常常展现出高度的运动灵活性。例如，捕食时的迅速转向与探索过程中的小幅度方向调整。这两种运动虽在表现形式上迥异，却都体现了大脑对运动策略的精密调控。脊髓中央模式发生器（Central Pattern Generator,CPG）接收大脑运动命令，从而编码和执行运动行为。研究表明脊髓CPG通过模块化结构和功能分别控制快速和慢速运动。然而目前我们不清楚决定运动速度（快慢）的中枢位于大脑运动区域还是脊髓？也即大脑运动区域是否可以分别编码快速和慢速运动命令？还是发送统一命令指令，由脊髓CPG决定运动速度?

2025年4月3日，同济大学医学院/附属上海市第四人民医院宋建人团队在Nature Communications上发表题为“Separate brainstem circuits for fast steering and slow exploratory turns”的研究文章。该研究以斑马鱼为实验模型，发现快速转向行为与慢速探索性转弯行为分别由“脑干和脊髓”中两个神经环路模块控制，揭示了“脑干-脊髓”控制运动速度的模块化组织结构。“脑干-脊髓”的快速和慢速环路模块赋予动物在真实场景中选择性地从事快速转向或者慢速探索性转弯行为。研究进一步发现视觉信息对转弯行为有精细的调控作用。该研究不仅深化了对脊椎动物运动方向控制机制的理解，也为脑干内神经环路在感知运动转换的作用提供了新的思路。

首先研究人员利用高速摄像和行为追踪，结合机器学习方法，发现光栅视觉刺激可诱发斑马鱼产生两类不同的转向行为：一类为快速转向，表现为短时间内头尾大幅不对称弯曲，用于实现急剧方向调整；另一类为慢速探索性转向，特征为头部轻微偏转、尾部运动相对对称，常见于低速游动时的环境探索。在自由游动与头部固定实验中，研究均稳定观察到这两种典型转向模式。定量分析显示，快速转向的尾部偏转角度通常超过40度，而慢速转向维持在20度以下，均由尾部的不对称摆动引发头部方向改变。进一步结合监督式机器学习算法，明确验证了两类转向在运动学参数上的显著差异，表明斑马鱼可通过差异化的尾部运动模式，实现对运动方向的灵活控制（图1）。

图1 依据大数据模型对快速与慢速转向行为进行分类

进一步的研究表明在快速转向与慢速探索性转向过程中，双光子扫描成像显示脑干内存在两组空间分布和功能均不同的投射神经元回路。快速转向由RoM1r、RoV3、MiV1和MiV2头侧区域的神经元及CaD群体编码，具有较广泛的空间分布特征。相比之下，慢速探索性转向则由局限于MiV1和MiV2尾侧区域的神经元群体控制，两类神经元在位置分布和激活模式上无重叠。该结果表明，快速与慢速转向行为依赖脑干内不同的神经环路（图2）。

图2 脑干神经元分别控制快速和慢速转向行为

此外，研究人员发现前顶盖（Pretectum）中的 V2a 神经元在快速转向行为中具有方向选择性。光遗传激活单侧前顶盖 V2a 神经元可选择性兴奋同侧脑干转向环路中的 V2a 和 V0d 神经元，诱发强烈的快速转向行为，且转向幅度与刺激强度呈正相关。该兴奋通过混合化学与电突触介导。相反，探索性转向不伴随前顶盖 V2a 神经元的侧向化激活。单侧消融前顶盖 V2a 神经元显著损伤同侧快速转向行为。结果表明，前顶盖 V2a 神经元是将方向性视觉信息转换为快速转向指令的关键上游中枢。

研究人员采用多通道记录，单细胞RNA-Seq以及双光子消除等技术解析了控制快速转向的神经环路由分布于多个脑干核团的兴奋性 V2a 神经元和抑制性对侧投射的 V0d 神经元共同构成。这些神经元通过电突触相互连接，可被同步激活，从而通过不对称地激活脊髓运动神经元实现快速转向。该环路的激活程度与方向改变的幅度密切相关，而与运动频率关联较弱。该研究揭示了“脑干-脊髓”运动控制系统的模块化组织结构，表明快速转向与慢速探索性转向由两个功能不同的神经环路分别控制。研究进一步解析了这些环路与视觉系统之间的精细联接机制，阐明了感知信息如何转化为特定的运动指令。该发现拓展了对脊椎动物方向控制与感知-运动转换机制的理解。

同济大学医学院宋建人教授是本文的通讯作者，第一作者为同济大学医学院博士后许璐璐。研究工作获得科技部科技创新2030-脑科学与类脑研究重大专项、国家自然科学基金重点国际合作项目、上海市基础研究特区计划、上海市青年科技启明星计划、同济大学附属上海市第四人民医院、同济大学脑与脊髓研究中心、同济大学医学院脑功能与人工智能转化研究所等支持。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-58621-9