5月9日，中國科學(xué)院神經(jīng)科學(xué)研究所、腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng )新中心、神經(jīng)科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗室蒲慕明院士研究組在《美國科學(xué)院院刊》在線(xiàn)發(fā)表了題為《運動(dòng)學(xué)習中背外側紋狀體直接通路和間接通路神經(jīng)元穩定、獨特的順序性電活動(dòng)的涌現》。該工作系統描述了背外側紋狀體直接通路和間接通路的同一群神經(jīng)元在運動(dòng)學(xué)習過(guò)程中的電活動(dòng)變化，并且揭示了神經(jīng)元集群的電活動(dòng)如何經(jīng)過(guò)學(xué)習依賴(lài)的時(shí)序重構最終形成獨特、穩定的順序性發(fā)放模式，同時(shí)發(fā)現兩條通路的神經(jīng)元活動(dòng)在運動(dòng)行為中具有相對獨立又彼此配合的角色分工。
運動(dòng)技能的學(xué)習和掌握對于個(gè)體的生存至關(guān)重要。背外側紋狀體腦區主要接收來(lái)自感覺(jué)運動(dòng)皮層四肢代表區的投射，在正常運動(dòng)功能的執行、運動(dòng)技能的學(xué)習以及習慣形成中具有重要的作用。已知該腦區主要分布著(zhù)由多巴胺1型和2型受體分別標記的多棘投射神經(jīng)元，分別介導了基底神經(jīng)節運動(dòng)調控中的兩條經(jīng)典通路，直接通路和間接通路。傳統的拮抗模型認為直接通路促進(jìn)運動(dòng)，間接通路抑制運動(dòng)。不同于拮抗模型中簡(jiǎn)單的“推-拉”式作用，協(xié)同模型認為，直接通路會(huì )促進(jìn)期望運動(dòng)的產(chǎn)生，間接通路會(huì )抑制那些與目的無(wú)關(guān)的競爭性運動(dòng)。
紋狀體神經(jīng)元在運動(dòng)技能學(xué)習過(guò)程扮演一個(gè)重要的角色，在運動(dòng)皮層選擇控制運動(dòng)行為的電活動(dòng)模式時(shí)，起一個(gè)閘門(mén)式的調節作用。迄今，關(guān)于直接通路和間接通路神經(jīng)元在運動(dòng)學(xué)習過(guò)程的參與機制仍存有爭議。
據介紹，研究人員在這項研究中重點(diǎn)關(guān)注三個(gè)問(wèn)題：第一，運動(dòng)學(xué)習將會(huì )如何影響背外側紋狀體神經(jīng)元的活動(dòng)？第二，運動(dòng)學(xué)習產(chǎn)生的影響在背外側紋狀體的直接通路和間接通路神經(jīng)元活動(dòng)中是否有差異？最后，若兩條通路神經(jīng)元活動(dòng)變化不同，是否能夠揭示通路特異性的功能差異？
要解決上述問(wèn)題，必須在活體動(dòng)物中同時(shí)記錄同一批神經(jīng)元在學(xué)習過(guò)程中的電活動(dòng)變化。紋狀體處于大腦深部，這首先是一個(gè)技術(shù)上的難題。盛孟君、盧迪兩位博士研究生在他們的研究中，首次解決了這一難題，實(shí)現了對大腦深部神經(jīng)元集群電活動(dòng)的長(cháng)期穩定記錄。
據悉，研究人員訓練小鼠學(xué)習一項聲音提示下的推桿運動(dòng)任務(wù)，并在此訓練過(guò)程中使用在體雙光子成像技術(shù)，長(cháng)時(shí)程追蹤背外側紋狀體同一群神經(jīng)元的電活動(dòng)。通過(guò)特異性標記直接通路和間接通路的神經(jīng)元，研究者們觀(guān)察到伴隨著(zhù)小鼠的學(xué)習過(guò)程，兩條通路的神經(jīng)元集群都逐漸產(chǎn)生了獨特的、穩定的、順序性發(fā)放的電活動(dòng)模式，直接通路神經(jīng)元傾向于在信號感知和推桿操作時(shí)活動(dòng)，而間接通路神經(jīng)元則更多地在推桿動(dòng)作之后反應，并且在不同的運動(dòng)任務(wù)場(chǎng)景中同一群神經(jīng)元的電活動(dòng)模式會(huì )發(fā)生改變。進(jìn)一步的化學(xué)抑制實(shí)驗結果表明，特異性抑制直接通路神經(jīng)元會(huì )破壞推桿運動(dòng)的起始，而特異性抑制間接通路神經(jīng)元會(huì )引起試驗間隔里的錯誤推桿次數顯著(zhù)上升。任一通路的抑制均會(huì )降低推桿動(dòng)作本身的熟練程度。
這些實(shí)驗結果表明，直接通路和間接通路的神經(jīng)元都參與到小鼠執行向右推桿任務(wù)的過(guò)程當中，在任務(wù)規則的貫徹上，前者主要負責目標運動(dòng)的起始，后者主要負責與任務(wù)目的無(wú)關(guān)的運動(dòng)的抑制；在具體動(dòng)作的執行上，二者都參與了對推桿動(dòng)作準確度的調控。兩條通路彼此配合，共同保證小鼠可以高效、準確地執行學(xué)會(huì )的運動(dòng)任務(wù)。
專(zhuān)家表示，這一研究為基底神經(jīng)節直接通路和間接通路的架構和功能提供了新的認識，為揭示運動(dòng)學(xué)習的環(huán)路原理提供了重要數據。該研究為基底神經(jīng)節相關(guān)的運動(dòng)障礙疾病的機制研究和治療提供了新線(xiàn)索。
據悉，蒲慕明組的博士研究生盛孟君、盧迪為該研究論文的共同第一作者，在蒲慕明研究員的指導下完成，研究組的其他同事也在研究中發(fā)揮了作用。該課題受到中國科技部的973項目，中國科學(xué)院戰略性先導科技專(zhuān)項和上海市重大科技專(zhuān)項等項目的資助。
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