5月11日，Nature Communications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，該研究由中國科學院腦科學與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心（神經(jīng)科學研究所）、上海腦科學與類腦研究中心、中科院神經(jīng)科學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，揭示了其在決策相關(guān)運動規(guī)劃中的關(guān)鍵作用及信息處理機制。

為了在自然界中生存，生物體不需要時刻對外界環(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，運動準備不充分，獵物有可能在眼皮底下逃走。獵豹在準備發(fā)動進攻的過程中其實就在經(jīng)歷運動規(guī)劃。在這一案例中，運動規(guī)劃直接影響到動物的生存；而在其他很多適應(yīng)性行為中，運動規(guī)劃也起到關(guān)鍵作用。

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)路通過怎樣的機制實現(xiàn)運動規(guī)劃？此前研究發(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。之后的研究解析出一批和該運動皮層相互關(guān)聯(lián)的其他腦區(qū)，如丘腦、基底節(jié)、小腦等均參與運動規(guī)劃。然而，由于這些腦區(qū)組成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)復雜，對于網(wǎng)絡(luò)中的任一節(jié)點施加影響，均會牽一發(fā)而動全身，影響整個網(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)劃是亟待解決的問題。為了回答這一問題，徐寧龍研究組博士后段春雨和博士研究生潘宇昕，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)，探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。

在新建的行為范式中，小鼠需要對嘀嗒聲音的速率進行分類，并通過舔左邊或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，因而難度也不同，這為精確研究神經(jīng)環(huán)路對運動規(guī)劃的貢獻提供了便利（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一步加工，貢獻規(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，研究人員逆向標記了投往上丘的次級運動皮層的細胞，并在雙光子顯微鏡下觀察這些被標記的神經(jīng)元活動。結(jié)果顯示，相比于隨機標記的細胞，投向上丘的這一群細胞展現(xiàn)出更強的運動信息編碼強度，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？研究采用化學遺傳學的手段，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他下游腦區(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。

為了進一步探究來自運動皮層的信息如何在上丘中進行加工，科研人員比較了興奮性細胞和抑制性細胞在任務(wù)中的活動特性。由于這兩種細胞都能接受次級運動皮層的投射且強度相當，它們都可能對上游信息進行進一步的處理。通過光纖光度測定，研究發(fā)現(xiàn)，興奮性細胞在聲音及延時期間編碼的選擇信息較穩(wěn)定，或有助于延時期間信息的維持，而抑制性細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）。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)。

該研究在研究員徐寧龍的指導下，由段春雨和潘宇昕合作完成，得到上海交通大學張思宇研究組的協(xié)助，研究助理馬國芬和周濤濤在實驗數(shù)據(jù)采集上的幫助，并獲得腦智卓越中心實驗動物平臺和公共技術(shù)服務(wù)中心光學成像平臺的協(xié)助。研究工作受到科學技術(shù)部、國家自然科學基金委員會、中科院和上海市科學技術(shù)委員會的資助。

特異性標記皮層到上丘投射神經(jīng)元

　　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，之后再進行作答。c、小鼠行為學的心理物理曲線。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，越來越多的細胞展現(xiàn)出更強的選擇性。g、用藥理遺傳學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影響更大。i、用光纖光度測定的方法記錄上丘不同細胞類型神經(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

內(nèi)容來源：腦科學與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心