挑戰運動小人模型：發現交錯於初級運動皮層的體感認知動作網絡（SCAN）

Published by

草本職能治療所

on

2025-03-20

重新審視運動皮層的經典模型

自 1930 年代以來，「運動小人」（homunculus）模型一直是描述初級運動皮層（M1）組織方式的經典框架。這個模型認為，M1 內部對應於身體不同部位的區域按照從腳到臉的線性排列，並依據直接皮層電刺激研究確立了一個解剖學上的「運動地圖」。然而，透過精細的功能性磁振造影（fMRI）技術，本研究發現，M1 並非如傳統所認知的線性結構，而是由兩種類型的區域交錯排列：

效應器特定區域（Effector-Specific Regions）：負責特定身體部位（如腳、手和嘴部）的運動控制。
效應器間區域（Inter-Effector Regions）：這些區域與動作計畫、身體姿勢調節及內臟控制密切相關，並與扣帶回-額蓋網絡（Cingulo-Opercular Network, CON）形成強烈連結。

這種交錯排列的模式與過去線性的運動小人模型大相逕庭，顯示出 M1 並非單純負責肢體運動的皮層區域，而是一個與全身運動計畫、內臟功能調節及認知控制整合的系統。我們將這一嶄新發現命名為體感認知動作網絡（Somato-Cognitive Action Network, SCAN），它為運動控制的神經機制提供了全新的視角。

傳統運動小人圖和體感小人圖

傳統運動小人模型的挑戰

運動小人模型的主要假設來自 Penfield 等人在 20 世紀初期對人類大腦皮層的直接電刺激研究。這些研究發現，當刺激 M1 不同區域時，會誘發特定身體部位的運動，因此提出 M1 內部的「運動小人」是一個從腳到頭的連續排列結構。然而，近代研究指出此模型存在諸多局限性，包括：

M1 並非連續排列，而是具有分段結構。不同效應器的控制區域之間存在顯著的間隔，並非完全線性對應。
皮層功能與運動控制的對應關係具有高度可塑性，個體之間的變異性遠高於 Penfield 研究中所顯示的固定體感地圖。
在獼猴與其他靈長類研究中，M1 顯示出更複雜的功能區劃，包括不同區域對於動作計畫與內臟控制的整合，而非單純的肢體運動輸出。

為了克服這些局限，本研究透過高精度 fMRI 影像分析技術，從結構、功能與連結的角度重新檢視 M1 的組織方式，並發現 SCAN 才是更符合生物學現實的模型。

SCAN 模型的發現：交錯排列的運動皮層結構

我們利用高解析度 fMRI 和 數據驅動的功能分割分析，從三個大型 fMRI 數據庫（Human Connectome Project, UK Biobank, ABCD Study）中提取 M1 的功能組織模式，結果顯示：

1. M1 內部的交錯結構

研究發現，M1 內部的運動區域並非線性排列，而是由效應器特定區域與效應器間區域交錯分布：

效應器特定區域：負責控制特定肢體的運動，如腳趾、手指、舌頭等。
效應器間區域：這些區域不像傳統體感小人所假設的單一部位控制區，而是跨部位整合運動計畫，與姿勢調節、喚醒控制及內臟調控密切相關。

這樣的分布模式顯示，M1 的功能不僅僅是個別肢體運動的控制中心，更是一個整合全身動作計畫的高階運動控制系統。

左為舊的運動小人圖，右為新的包含SCAN的運動小人圖

2. M1 內部的「同心圓體感組織」

SCAN 模型進一步發現，M1 內部的運動表徵區域更符合「同心圓排列」：

腳部控制區：腳趾位於中心，踝、膝、髖關節依序向外排列。
手部控制區：手指在中心，手腕、肘部、肩部向外排列。
嘴部控制區：舌頭在中心，嘴唇、下顎、喉部向外排列。

這種同心圓式排列取代了傳統的線性運動小人模型，並顯示 M1 具有更精細的分層運動控制模式。

3. M1 與 CON 的緊密連結

效應器間區域與扣帶回-額蓋網絡（CON）有顯著的功能性連結，表明 M1 不僅負責運動輸出，還與更高層級的認知與生理調節相關：

與 CON 的連結顯示 M1 參與全身運動計畫與執行，而不僅是局部肌肉控制。
SCAN 與 CON 共同調節內臟功能，如心跳、呼吸與自主神經反應，說明運動控制與身體狀態的調節具有高度整合性。

M1和CON的連結

SCAN 模型的重要性與影響

這項發現對於神經科學、臨床醫學及應用技術領域帶來重大影響，包括：

神經復健與運動治療
- 過去針對神經復健的策略多基於運動小人模型，但 SCAN 模型顯示，應關注全身性運動計畫的恢復，而非僅限於單一肢體訓練。
腦機介面（BCI）技術
- 傳統 BCI 主要透過 M1 讀取局部運動訊號，但 SCAN 的發現顯示，全身動作的計畫與執行涉及更廣泛的神經網絡，未來的 BCI 設計應納入這些跨區域的動作控制機制。
動作計畫與認知神經科學
- SCAN 的發現顯示 M1 不僅是運動輸出區，也參與動作目標與認知控制，這可能解釋帕金森氏症、自閉症與焦慮症患者的運動與認知功能障礙之間的關聯。

結論：運動皮層的新範式

SCAN 模型顛覆了傳統的運動小人模型，揭示了M1 內部交錯排列的組織模式，並強調其與全身運動計畫、內臟調節及認知控制的關聯。這項發現不僅深化我們對運動控制的理解，也為神經復健、BCI 與臨床應用帶來嶄新契機，標誌著運動皮層研究的新時代。

參考資料

Gordon, E.M., Chauvin, R.J., Van, A.N. et al. A somato-cognitive action network alternates with effector regions in motor cortex. Nature 617, 351–359 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-05964-2

游荃安職能治療師整理/撰寫

探索更多來自草本職能治療所的內容

訂閱後即可透過電子郵件收到最新文章。