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神經所揭示紋狀體腦區在運動學習過程中的神經機制

文章來源:神經所  |  發布時間:2019-05-14  |  【打印】 【關閉

  

  5月9日,中國科學院神经科学研究所、脑科学与智能技术卓越创新中心、神经科学国家重点实验室蒲慕明研究组在《美国科学院院刊》在线发表了题为《运动学习中背外侧纹状体直接通路和间接通路神经元稳定、独特的顺序性电活动的涌现》。该工作系统描述了背外侧纹状体直接通路和间接通路的同一群神经元在运动学习过程中的电活动变化,并且揭示了神经元集群的电活动如何经过学习依赖的时序重构最终形成独特、稳定的顺序性发放模式,同时发现两条通路的神经元活动在运动行为中具有相对独立又彼此配合的角色分工。 

  運動技能的學習和掌握對于個體的生存至關重要。背外側紋狀體腦區主要接收來自感覺運動皮層四肢代表區的投射,在正常運動功能的執行、運動技能的學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由多巴胺1型和2型受體分別標記的多棘投射神經元,分別介導了基底神經節運動調控中的兩條經典通路,直接通路和間接通路。傳統的拮抗模型認爲直接通路促進運動,間接通路抑制運動。不同于拮抗模型中簡單的“推-拉”式作用,協同模型認爲,直接通路會促進期望運動的産生,間接通路會抑制那些與目的無關的競爭性運動。 

  紋狀體神經元在運動技能學習過程扮演一個重要的角色,在運動皮層選擇控制運動行爲的電活動模式時,起一個閘門式的調節作用。迄今,關于直接通路和間接通路神經元在運動學習過程的參與機制仍存有爭議。 

  在本研究中科研人員重點關注三個問題:第一,運動學習將會如何影響背外側紋狀體神經元的活動?第二,運動學習産生的影響在背外側紋狀體的直接通路和間接通路神經元活動中是否有差異?最後,若兩條通路神經元活動變化不同,是否能夠揭示通路特異性的功能差異? 

  要解決上述問題,必須在活體動物中同時記錄同一批神經元在學習過程中的電活動變化。紋狀體處于大腦深部,這首先是一個技術上的難題。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,實現了對大腦深部神經元集群電活動的長期穩定記錄。 

  在本研究中,研究者們訓練小鼠學習一項聲音提示下的推杆運動任務(圖1),並在此訓練過程中使用在體雙光子成像技術,長時程追蹤背外側紋狀體同一群神經元的電活動。通過特異性標記直接通路和間接通路的神經元,研究者們觀察到伴隨著小鼠的學習過程,兩條通路的神經元集群都逐漸産生了獨特的、穩定的、順序性發放的電活動模式,直接通路神經元傾向于在信號感知和推杆操作時活動,而間接通路神經元則更多地在推杆動作之後反應(圖2),並且在不同的運動任務場景中同一群神經元的電活動模式會發生改變。進一步的化學抑制實驗結果表明,特異性抑制直接通路神經元會破壞推杆運動的起始,而特異性抑制間接通路神經元會引起試驗間隔裏的錯誤推杆次數顯著上升。任一通路的抑制均會降低推杆動作本身的熟練程度(圖3)。 

  這些實驗結果表明,直接通路和間接通路的神經元都參與到小鼠執行向右推杆任務的過程當中,在任務規則的貫徹上,前者主要負責目標運動的起始,後者主要負責與任務目的無關的運動的抑制;在具體動作的執行上,二者都參與了對推杆動作准確度的調控。兩條通路彼此配合,共同保證小鼠可以高效、准確地執行學會的運動任務。 

  這一研究爲基底神經節直接通路和間接通路的架構和功能提供了新的認識,爲揭示運動學習的環路原理提供了重要數據。該研究爲基底神經節相關的運動障礙疾病的機制研究和治療提供了新線索。 

  蒲慕明组的博士研究生盛孟君、卢迪为该研究论文的共同第一作者,在蒲慕明研究员的指导下完成,研究组的其他同事也在研究中发挥了作用。该课题受到中国科技部的973项目(编号2011CBA00400),中國科學院战略性先导科技专项(编号:XDB02020001),上海市重大科技专项(编号:2018SHZDZX05)等项目的资助。 

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