Neuron | 刘志祥/罗敏敏团队揭示后退运动的脑干神经环路机制

流畅的运动依赖于大脑对运动速度、方向和运动状态的精确控制与协调。动物需要不断在前进、转向、停止和后退之间自由切换，以应对不断变化的环境需求。尽管前进运动的神经机制已经得到较为深入的研究，后退运动的神经控制仍知之甚少。已有研究表明，后退并非前进运动的简单反向过程，而具有不同的肢体运动学、肌肉活动模式和脊髓神经活动特征。在果蝇和线虫中，存在专门参与后退运动的神经环路。然而，在哺乳动物中，后退运动由哪些神经环路产生和维持，以及不同运动方向如何在脑干中被选择和组织，仍是一个尚未解决的重要问题。

2026年10月15日，重庆脑与智能科学中心刘志祥青年研究员与北京脑科学与类脑研究所罗敏敏研究员团队等合作在Neuron在线发表题为A brainstem module for backward locomotion reveals direction-selective premotor circuits的研究论文。研究鉴定出一个与后退运动密切相关的脑干区域——脑桥后退运动中心（pontine backward locomotion center，PBLC）。研究发现，PBLC谷氨酸能神经元在后退运动过程中被选择性募集，激活该神经元群体可诱发显著而稳定的后退运动，而抑制其活动则显著削弱后退行为。进一步的环路分析表明，PBLC可通过延髓旁正中网状核（paramedian reticular nucleus，PMn）向脊髓运动系统传递后退相关信号。与此同时，研究还发现PBLC邻近的多个脑干区域分别与前进、转向和运动停止相关，提示不同运动方向和动作可能由空间上相邻、功能上有所分化的脑干神经元群体参与控制。

研究人员首先通过强迫后退行为结合全脑c-Fos活动图谱，系统筛选后退运动过程中被募集的脑区。结果发现，后退运动可激活多个与运动、觉醒和应激相关的脑区，其中，在脑桥中央灰质外侧、面神经背侧存在一个此前没有明确功能定义的局部区域，在后退运动过程中表现出尤为显著的c-Fos激活。根据其解剖位置及与后退运动的关系，研究人员将这一脑区命名为PBLC。

进一步的细胞类型分析显示，后退运动过程中被募集的PBLC神经元绝大多数为谷氨酸能神经元。为了判断PBLC神经元是否在自然后退行为中同样被激活，研究人员利用光纤记录技术监测自由活动小鼠PBLC谷氨酸能神经元的钙信号。结果发现，当动物开始后退时，PBLC谷氨酸能神经元活动明显增强，而在前进运动过程中信号变化相对较弱，说明PBLC谷氨酸能神经元的活动与后退运动具有明显相关性。

随后，研究团队进一步利用光遗传学和化学遗传学方法操控PBLC谷氨酸能神经元活动，以检验其在后退运动中的因果作用。光遗传学激活PBLC谷氨酸能神经元后，小鼠可迅速产生明显而持续的后退运动，并且运动速度随刺激频率增加而升高。步态分析进一步显示，刺激诱发的后退运动在步频、步幅等基本运动学特征上与自然或被迫后退具有较高相似性，说明PBLC激活诱发的是具有自然后退运动特征的协调性行为。化学遗传学持续激活PBLC谷氨酸能神经元同样能够增加小鼠后退行为的发生和总持续时间。

相反，在多种能够自然或外部诱发后退的行为情境中，短暂抑制PBLC谷氨酸能神经元均可显著削弱正在进行的后退运动，而开放场中的正常前进运动基本不受影响。以上结果从神经活动相关性、激活和抑制多个层面支持了PBLC谷氨酸能神经元在后退运动控制中的重要作用。

在确定PBLC参与后退运动后，研究团队进一步解析其下游神经环路。神经环路示踪结果显示，PBLC谷氨酸能神经元向多个脑区发送上行和下行投射，其中较为突出的靶区包括peri-fasciculus retroflexus（Pfr）以及延髓PMn/IO区域。膜片钳电生理实验进一步证明，PBLC能够向这些下游神经元提供功能性的谷氨酸能兴奋性突触输入。

考虑到PMn具有直接的脊髓投射，研究人员进一步重点分析了PBLC—PMn通路在后退运动中的作用。直接激活PMn谷氨酸能神经元能够诱发后退运动；更进一步，通过逆行示踪和交叉遗传策略选择性标记并激活投射至脊髓的PMn谷氨酸能神经元，同样能够诱发后退运动。

相反，当研究人员选择性清除PMn谷氨酸能神经元后，PBLC刺激诱导的后退运动显著受损，表现为后退起始延迟、运动持续时间缩短，以及峰值和平均后退速度下降，而动物整体自主活动未出现明显改变。上述结果共同表明，PMn是介导PBLC后退运动效应的重要下游节点，并构成PBLC后退相关信号通向脊髓运动执行系统的重要延髓中继。

在解析PBLC后退运动环路的过程中，研究团队进一步注意到，PBLC并非孤立存在。在其前方沿脑干头尾轴方向依次分布着多个参与不同运动行为的谷氨酸能神经元群体。研究发现，楔状核（cuneiform nucleus，CnF）主要与前进运动相关；腹侧背外侧被盖核（ventral laterodorsal tegmental nucleus，LDTgV）的单侧激活主要诱发同侧转向；外侧臂旁核（lateral parabrachial nucleus，PBNl）的激活主要引起运动速度降低及运动停止；而PBLC的激活则主要诱发后退运动。

进一步的解剖示踪、电生理记录和通路特异性光遗传实验显示，这些脑干区域分别通过不同但具有一定共同组织特征的上行和下行投射连接其下游结构。例如，CnF相关通路能够促进前进，LDTgV相关通路能够诱发转向，而PBLC—PMn等通路则参与后退运动。由此可见，与不同运动方向和动作相关的脑干神经元群体在空间分布及投射组织上呈现出一定规律。

需要强调的是，这些结果并不意味着严格的“一个脑区对应一种行为”。PBLC、CnF、LDTgV和PBNl内部均可能存在分子类型、投射靶点和亚区域层面的异质性，不同脑区之间也可能通过上行和下行通路发生复杂交互。因此，本研究更支持这样一种工作模型：不同运动方向可能由分布式、具有一定方向或动作偏好的脑干神经元群体参与选择，并通过部分平行的下行通路作用于运动执行系统。

后退运动因此并非简单依赖前进运动通路的“反向运行”。PBLC相关环路提供了一条参与后退运动控制的上位神经通路，而CnF、LDTgV和PBNl的结果则将PBLC置于一个更广泛的脑干运动控制框架之中。该研究揭示了哺乳动物后退运动的一条脑干神经环路，并为理解大脑如何在不同运动方向和动作之间进行选择提供了新的神经环路依据。未来，PBLC和PMn内部不同细胞亚型的功能分工、PMn在自然后退运动中的活动与必要性，以及其具体的脊髓靶神经元和下游环路，仍有待进一步研究。

该研究由重庆脑与智能科学中心刘志祥青年研究员和北京生命科学研究所卢立辉共同第一作者，刘志祥青年研究员与北京脑科学与类脑研究所罗敏敏研究员为共同通讯作者。狄润、崔玉婷、刘杨、任青霞、戴睿成、吴文婷和王睿宇参与了该项研究。

https://doi.org/10.1016/j.neuron.2026.09.027

制版人： 十一

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