研究團隊在運動規劃的環路機制研究獲進展

　　5月11日，Nature Communications在線發表了題為《皮層上丘環路在記憶依賴感知決策任務中的作用機制》的研究論文，該研究由中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心（神經科學研究所）、上海腦科學與類腦研究中心、中科院神經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路功能，揭示了其在決策相關運動規劃中的關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境刺激做出即時反應，反而常常需要在大腦中暫時保存接收到的刺激信息，同時規劃需要做出的反應。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。獵豹在準備發動進攻的過程中其實就在經歷運動規劃。在這一案例中，運動規劃直接影響到動物的生存；而在其他很多適應性行為中，運動規劃也起到關鍵作用。

　　那么，大腦到底是如何實現對未來行動的規劃的呢？哪些腦區和神經環路通過怎樣的機制實現運動規劃？此前研究發現，前外側運動皮層（次級運動皮層的一部分）在運動規劃中起重要作用。之后的研究解析出一批和該運動皮層相互關聯的其他腦區，如丘腦、基底節、小腦等均參與運動規劃。然而，由于這些腦區組成網絡系統復雜，對于網絡中的任一節點施加影響，均會牽一發而動全身，影響整個網絡的動態。因此，解析這個網絡中不同節點之間的相互關系，并闡明其相互作用如何影動規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劃行為范式，并綜合利用環路記錄和操控技術，探究了次級運動皮層到皮層下上丘的關鍵神經通路的作用機制。

　　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，好比搶答的發令槍。在等待的延時期間，小鼠就需要對舔水反應進行運動規劃。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，這為精確研究神經環路對運動規劃的貢獻提供了便利（圖a-c）。通過不同腦區，不同時間段的光遺傳瞬時抑制，研究總結出次級運動皮層和上丘都在本任務中起到重要作用，且同時抑制兩個腦區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行者，而是可以對上游輸入的信息進一步加工，貢獻規劃運動的功能。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元活動。結果顯示，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，經延時，到舔水運動期間，表現出更強的對側動作的選擇性（圖d-f）。這些結果支持了該環路確實攜帶有運動規劃信息。那么，這些信息是否和運動規劃有因果關系呢？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路，而保持了次級運動皮層的其他下游腦區不受抑制，發現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）。這些結果支持了次級運動皮層到上丘的環路對運動規劃具有因果關系。

　　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，研究發現，興奮性細胞在聲音及延時期間編碼的選擇信息較穩定，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，可能在運動規劃過程的不同階段起到不同的調節性的作用（圖i-j）。該研究系統地研究了一條從次級運動皮層到皮層下結構的環路如何影響運動規劃，為理解運動規劃背后的神經環路機制提供了新的實驗證據。

　　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助，研究助理馬國芬和周濤濤在實驗數據采集上的幫助，并獲得腦智卓越中心實驗動物平臺和公共技術服務中心光學成像平臺的協助。研究工作受到科學技術部、國家自然科學基金委員會、中科院和上海市科學技術委員會的資助。

特異性標記皮層到上丘投射神經元

a、聽覺二擇一任務，小鼠根據聲音的滴答頻率選擇舔左邊或右邊的水嘴。b、任務的時間結構，在聽到聲音后，小鼠需要等待0.3-1.5 s，并在延時結束后聽到一聲提示，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元。e、示例神經元展現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路。h、環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元亞群在運動規劃過程中的反應特性。j、興奮性和抑制性上丘神經元在運動規劃中體現出不同的反應特性