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本文聚焦于运动控制的理论研究，基于平衡点假说（Equilibrium Point Hypothesis），探讨了本体感受预测在运动控制中的关键作用。文中分析了反射弧、下行预测等机制，还结合帕金森病等相关疾病，揭示了运动控制的神经生物学基础，值得一读。
引言
控制理论视角下的运动系统神经生物学依赖闭环反馈概念。平衡点假说认为，运动基于运动神经元募集，当肌肉长度超过（部分由中枢确定的）阈值时产生运动。从这一假说出发，脊髓和脑干反射起到闭环控制器的作用，反馈则是通过 Ia 和 II 型感觉传入神经元传递给中枢神经系统的本体感受信号。
在本文的研究中，平衡点被视为对本体感受信号的预测。这里的 “预测” 基于预测处理理论，是依据生成世界模型做出的预测，并非单纯对未来的预测，而是与大脑模型试图解释的感觉数据同步且持续进行。随着预测的完善或行动改变感觉数据，预测误差得以解决，使预测与当前传入输入相符。
主动推理方法与直接实施平衡点控制思想的方法类似，在机器人系统中展现出应用前景。该方法还与观念运动理论相关，观念运动理论涉及想法向运动行为的转化，一些魔术师利用的现象就与该理论有关，其原理是强烈的预期（在贝叶斯术语中即概率先验信念）足以通过对感觉后果预测的反射性实现来产生运动。
感知控制理论（PCT）是基于负反馈控制的生物行为理论，主动推理的运动控制方法在很大程度上与之兼容，但也有不同观点。PCT 将 “感知信号” 视为待控制的感觉数据转换，而主动推理将感知视为综合先验和感觉信息的贝叶斯信念，把信念更新（感知推理）和运动控制看作是对衡量内部模型与试图解释的感觉之间契合度的同一目标函数的联合优化。
主动推理与最优控制理论也有区别。最优控制理论需要前向（预测）模型和逆模型，逆模型处理来自运动系统的反馈并确定实现目标所需的运动 “指令”；而主动推理仅使用单个前向模型，更符合神经科学中贝叶斯大脑和预测处理理论中隐含的内部（生成或世界）模型的广义解释，其逆模型的作用由低级反射弧承担，通过相对简单的负反馈回路实现预期的本体感受反馈这一 “目标” 。不过，由于存在感觉运动延迟，平衡点控制可能受到影响，而广义运动坐标的概念可对此进行解释。广义运动坐标不仅包括运动系统的当前状态，还涉及状态的变化率（如速度、加速度等），能用于预测未来或补偿延迟，还能解释感觉运动波动的自相关结构。
上述理论框架都在解释运动行为方面取得了一定成功，且在很大程度上相互兼容，都重视脊髓和脑干反射的作用、它们与外周神经系统的相互作用，以及依赖解决与阈值或设定点的误差或差异的闭环控制形式。本文重点探讨设定点（或从预测处理角度看的本体感受预测）的神经生物学起源，尤其是预测轨迹序列的推理在产生复杂行为中的作用。
反射弧
反射弧的基本结构中，II 型和 Ia 型感觉传入纤维将肌肉肌腱的本体感受（肌肉长度和长度变化率）信号从肌肉传至脊髓背根，该传入信号与下行运动束的预测进行比较。从生理学角度，这种 “比较” 是指抑制性（如 GABA 能）输入与兴奋性（如谷氨酸能）输入在突触后膜的相减，当下行和传入信号匹配时，突触后膜电位不变。预测与感觉信号的差异决定了脊髓腹角 α 运动神经元的活动，该运动神经元的轴突终止于肌肉，当本体感受信号与预测不匹配时，会引起肌肉收缩。也就是说，肌肉收缩既取决于本体感受输入，也取决于预测输入，当预测实现（传入信号与预测一致）时，合力为零。下行预测包括对预期本体感受信号的预测（或阈值）以及对该预期的信心，信心（精度或逆不确定性）作为增益信号，对预测误差对运动输出的影响进行乘法加权。
预测精度可分解为空间和时间两个部分。空间部分表示信号在某一时刻的逆协方差，时间部分取决于信号随时间的自相关性（即平滑度）。对精度判断错误会产生不同后果，这为确定其神经解剖学基础提供了线索。高估空间精度会导致预测误差更快解决，对意外本体感受信号反应更迅速，这与上运动神经元损伤的临床表型一致，此类损伤影响皮质脊髓束，常见于运动神经元病、多发性硬化症和中风等多种疾病。这表明下行皮质脊髓投射的部分作用是减弱低级反射弧的精度或增益。此外，自身免疫性疾病僵人综合征也会出现反射亢进，该疾病中自身抗体针对脊髓背角的谷氨酸脱羧酶（GAD），GAD 参与合成抑制性神经递质 GABA，这进一步证实了部分下行皮质脊髓投射可减弱精度或增益的观点。
高估时间精度的影响相对微妙，它涉及不同运动阶次之间的相关性。模拟研究表明，过高的平滑度估计会导致振荡反射模式和在伸手运动中出现缓慢的周期性波动，这与小脑综合征的表现相似，提示下行小脑脊髓束（受小脑深部核团活动影响的皮质脊髓、前庭脊髓和红核脊髓轴突）参与调节时间精度的估计。
当本体感受反馈受损时，如在感觉神经元病（常与干燥综合征相关）中，本体感受神经元胞体发炎，会出现假性手足徐动症，闭眼时伸展的肢体可能出现平滑的震颤运动。这意味着其他感觉模态（如视觉）的预测和误差可补偿精确本体感受数据的缺失，但当感觉反馈不足时，本体感受预测中的平滑波动会不受抑制地传递给肌肉，导致这些预测的表现形式 —— 平滑震颤运动的出现。
下行预测
前文讨论了预测本体感受预测波动的适当精度问题，接下来探讨大脑幕上结构如何确定这些预测。下行皮质脊髓投射主要起源于初级运动皮层（Brodmann 4 区）的 V 层（Betz）锥体细胞。初级运动皮层在细胞构筑上有一些与预测性运动控制相关的有趣特征，其 IV 层细胞相对较少。在许多其他皮层区域，IV 层充满接收来自初级丘脑核和更靠近初级感觉皮层区域的上升投射的颗粒状多刺星状细胞，通常认为投射到 IV 层的信号用于向上传递预测误差。初级运动皮层 IV 层细胞相对稀少，这支持了运动皮层做出的预测误差通常在脊髓或脑干水平通过反射反馈控制解决，极少有残余预测误差传回皮层的观点。
关于运动皮层预测的内容，有一种新观点认为，基于运动组块的概念，这些预测应预期可组合产生复杂运动的短运动轨迹序列。有充分的电生理证据支持这一观点，例如运动皮层中的神经元群体对特定的伸手轨迹有最大放电反应，辅助运动皮层中的神经元活动在低维空间投影后呈现出可变频率的周期性轨迹，部分可被周期性感觉刺激所驱动，这些神经元群体可能作为内部时钟帮助编排一系列平衡点。
虽然运动皮层及其相邻区域能够表征不同的轨迹及其编排方式，但在这些替代方案中进行选择也很重要。V 层 Betz 细胞向基底神经节（特别是纹状体和丘脑底核）的投射以及基底神经节输出核通过丘脑对浅层皮层树突的调节，暗示了涉及基底神经节的皮层 - 皮层下环路可能参与运动轨迹序列的选择和定时。
疾病研究也为了解皮层下结构的作用提供了线索。例如，帕金森病涉及中脑到纹状体的多巴胺能投射退化，这会影响 D1 和 D2 受体表达的中等多棘神经元（MSNs）对基底神经节输出的相对贡献（通过直接和间接通路）。D1 - MSNs 具有大的树突树，能在输出核中引起空间精确的活动变化，而 D2 - MSNs 的树突树较小，引起的输出核变化模式更广泛。假设基底神经节输出代表不同的行动计划，这两种 MSN 群体之间的平衡决定了选择特定计划的信心程度，D1 - MSNs 利用其广泛的树突输入提供关于最佳策略的精确信念，对抗 D2 - MSNs 对替代策略的较粗略抑制。帕金森病患者运动减少可能与这种信心丧失有关。相反，其他疾病如亨廷顿病和一些多巴胺能治疗后可能出现的运动障碍，会导致运动过多，表现为不自主但流畅的舞蹈样动作，这与纹状体 MSN 通路的破坏导致对非预期但内部一致的动作序列选择过度自信的观点一致。
此外，帕金森病患者还可能出现运动节律障碍，如在重复运动（如手指敲击）中难以保持一致的节拍间隔。各种具有一定空间或时间规律性的感觉提示（如节拍器节拍或地板上的条纹）通常可用于恢复对时间的信心，实现更流畅的运动控制。这表明时间精度的重要性，也为绕过纹状体并靶向丘脑底核的基底神经节超直接通路提供了作用依据，丘脑底核也是深部脑刺激缓解帕金森病症状的靶点之一。综合来看，基底神经节相关疾病的病理观察表明，其在选择导致运动皮层传递给脊髓反射弧的本体感受预测的平衡点序列和定时方面发挥作用。
结论
本文对运动控制的控制理论方面的概述，重点关注了可能确定本体感受预测的幕上结构，这些本体感受预测作为幕下结构实施的闭环反馈控制的设定点。这基于平衡点假说的一种版本，即通过主动解决本体感受预测与传入脊髓的数据之间的误差来选择和执行运动组块序列。这一概念有助于理解运动控制网络的一些细胞构筑特征，对理解运动控制障碍的计算基础具有重要意义。
