發(fā)布時間：2021-08-05 15:11:00
2021年5月11日，《Nature Communications》期刊在線發(fā)表了題為《皮層上丘環(huán)路在記憶依賴感知決策任務(wù)中的作用機制》的研究論文，該研究由中國科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心（神經(jīng)科學(xué)研究所）、上海腦科學(xué)與類腦研究中心、神經(jīng)科學(xué)國家重點實驗室的徐寧龍研究組完成。該研究解析了從次級運動皮層到上丘的環(huán)路功能，揭示了它在決策相關(guān)運動規(guī)劃中的關(guān)鍵作用及其信息處理機制。
為了在自然界中生存，生物體并不需要時時刻刻對外界環(huán)境刺激做出即時反應(yīng)，反而常常需要在大腦中暫時保存接收到的刺激信息，同時規(guī)劃需要做出的反應(yīng)。例如獵豹在草原上捕獵時需要潛伏在草叢中，緩慢靠近獵物，直到合適的時機一躍而起，在獵物反應(yīng)過來之前追上前去撲倒它。如果時機不恰當(dāng)，運動準(zhǔn)備不充分，獵物就很有可能在眼皮底下逃走。獵豹在準(zhǔn)備發(fā)動進(jìn)攻的過程中其實就在經(jīng)歷運動規(guī)劃。在這個案例中，運動規(guī)劃直接影響到動物的生存；而在其它很多適應(yīng)性行為中運動規(guī)劃也舉足輕重。
那么大腦到底是如何實現(xiàn)對未來行動的規(guī)劃的呢？哪些腦區(qū)和神經(jīng)環(huán)路通過什么樣的機制實現(xiàn)運動規(guī)劃？之前的研究發(fā)現(xiàn)前外側(cè)運動皮層（次級運動皮層的一部分）在運動規(guī)劃中起重要作用。之后的一系列研究解析出了一大批和該運動皮層相互關(guān)聯(lián)的其它腦區(qū)，如丘腦，基底節(jié)，小腦等均參與了運動規(guī)劃。但是由于這些腦區(qū)組成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)十分復(fù)雜，對于網(wǎng)絡(luò)中的任一節(jié)點施加影響，都會牽一發(fā)而動全身，影響到整個網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)。因此，解析這個網(wǎng)絡(luò)中不同節(jié)點之間的相互關(guān)系，并闡明其相互作用如何影響運動規(guī)劃是一個亟待解決的問題。為了回答這個問題，徐寧龍研究組的博士后段春雨和博士生潘宇昕利用感知決策行為框架，建立了一個參量化的運動規(guī)劃行為范式，并綜合利用環(huán)路記錄和操控技術(shù)，詳細(xì)研究了次級運動皮層到皮層下上丘的關(guān)鍵神經(jīng)通路的作用機制。
特異性標(biāo)記皮層到上丘投射神經(jīng)元
在這個新建的行為范式中，小鼠需要對嘀嗒聲音的速率進(jìn)行分類，并通過舔左邊或者右邊的出水口來匯報其分類結(jié)果。重要的是，小鼠在匯報前必須等待一個聲音提示，好比搶答的發(fā)令槍。在等待的延時期間，小鼠就需要對舔水反應(yīng)進(jìn)行運動規(guī)劃。由于每個試次的延時長短以及滴答頻率都不同，因此難度也會不同，這為精確研究神經(jīng)環(huán)路對運動規(guī)劃的貢獻(xiàn)提供了便利（圖a-c）。通過不同腦區(qū)，不同時間段的光遺傳瞬時抑制，研究人員總結(jié)出次級運動皮層和上丘都在本任務(wù)中起到重要作用，且同時抑制兩個腦區(qū)造成的影響大于僅僅抑制次級運動皮層，提示上丘不只是次級運動皮層命令輸出的被動執(zhí)行者，而是可以對上游輸入的信息進(jìn)一步加工，貢獻(xiàn)規(guī)劃運動的功能。為了解讀次級運動皮層向上丘傳遞的信息，研究人員逆向標(biāo)記了投往上丘的次級運動皮層的細(xì)胞，并在雙光子顯微鏡下觀察這些被標(biāo)記的神經(jīng)元活動。結(jié)果顯示，相比于隨機標(biāo)記的細(xì)胞，投向上丘的這一群細(xì)胞展現(xiàn)出了更強的運動信息編碼強度，而且此強度隨著時間的推移會變強，從聲音刺激，經(jīng)延時，到舔水運動期間，表現(xiàn)出更強的對側(cè)動作的選擇性（圖d-f）。這些結(jié)果支持了該環(huán)路確實攜帶有運動規(guī)劃信息。那么這些信息是否和運動規(guī)劃有因果關(guān)系呢？研究人員采用了化學(xué)遺傳學(xué)的手段，通過埋置套管的方法，特異性地抑制了從次級運動皮層到上丘的環(huán)路，而保持了次級運動皮層的其它下游腦區(qū)不受抑制，發(fā)現(xiàn)小鼠行為正確率受到影響，且該影響的程度依賴于聲音刺激的難度以及延時的長短（圖g-h）。這些結(jié)果支持了次級運動皮層到上丘的環(huán)路對運動規(guī)劃具有因果關(guān)系。
為了進(jìn)一步探究來自運動皮層的信息如何在上丘中進(jìn)行加工，研究人員比較了興奮性細(xì)胞和抑制性細(xì)胞在任務(wù)中的活動特性。因為這兩種細(xì)胞都能接受次級運動皮層的投射且強度相當(dāng)，它們都可能對上游信息進(jìn)行進(jìn)一步的處理。通過光纖光度測定，研究人員發(fā)現(xiàn)，興奮性細(xì)胞在聲音及延時期間編碼的選擇信息較為穩(wěn)定，或許有助于延時期間信息的維持，而抑制性細(xì)胞則更傾向于切換編碼的特性，可能在運動規(guī)劃過程的不同階段起到不同的調(diào)節(jié)性的作用（圖i-j）。綜上所述，該研究系統(tǒng)地研究了一條從次級運動皮層到皮層下結(jié)構(gòu)的環(huán)路如何影響運動規(guī)劃，為人們理解運動規(guī)劃背后的神經(jīng)環(huán)路機制提供了新的實驗證據(jù)。
圖 1：a,聽覺二擇一任務(wù)，小鼠根據(jù)聲音的滴答頻率選擇舔左邊或者右邊的水嘴。b, 任務(wù)的時間結(jié)構(gòu)，在聽到聲音后，小鼠需要等待0.3-1.5 s，并在延時結(jié)束后聽到一聲提示，之后再進(jìn)行作答。c, 小鼠行為學(xué)的心理物理曲線。d, 雙光子成像記錄投向上丘的次級運動皮層神經(jīng)元。e, 示例神經(jīng)元展現(xiàn)出對動物行為的選擇性。f, 隨著時間推移，越來越多的細(xì)胞展現(xiàn)出更強的選擇性。g,用藥理遺傳學(xué)特異性地抑制次級運動皮層到上丘的環(huán)路。h, 環(huán)路抑制以后長延時的刺激難度高的試次中小鼠的行為學(xué)影響更大。i, 用光纖光度測定的方法記錄上丘不同細(xì)胞類型神經(jīng)元亞群在運動規(guī)劃過程中的反應(yīng)特性。j, 興奮性和抑制性上丘神經(jīng)元在運動規(guī)劃中體現(xiàn)出不同的反應(yīng)特性。
該工作在徐寧龍研究員的指導(dǎo)下，由博士后段春雨和博士生潘宇昕合作完成，同時得到了上海交通大學(xué)張思宇研究組的大力協(xié)助，研究助理馬國芬和周濤濤在實驗數(shù)據(jù)的采集上提供了重要幫助，研究組其他成員積極參與討論，并得到腦智卓越中心實驗動物平臺和公共技術(shù)服務(wù)中心光學(xué)成像平臺的大力協(xié)助。該研究得到科技部、基金委、中科院和上海市科委的資助。
博士后段春雨
博士生潘宇昕與深部腦區(qū)成像窗口
附件下載： 