2024年11月24日，墨西哥國立自治大學(xué)神經(jīng)生物學(xué)研究所Pavel E. Rueda-Orozco團(tuán)隊(duì)在Nature communications發(fā)表“Preconfigured cortico-thalamic neural dynamics constrain movement-associated thalamic activity”，揭示了預(yù)配置的皮層-丘腦神經(jīng)動(dòng)態(tài)限制了與運(yùn)動(dòng)相關(guān)的丘腦活動(dòng)。

神經(jīng)預(yù)配置活動(dòng)模式（Neural Preconfigured Activity Patterns, nPAPs）是指大腦中預(yù)先存在的、有組織的神經(jīng)活動(dòng)模式。這些模式可以被看作是由一組神經(jīng)元組成的活動(dòng)單元，它們?cè)谔囟ǖ恼J(rèn)知和感覺處理任務(wù)中發(fā)揮關(guān)鍵作用。然而，它們?cè)谶\(yùn)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中的存在和功能尚未得到明確研究。在這項(xiàng)研究中，作者探討了nPAPs在運(yùn)動(dòng)丘腦（VL/VM，內(nèi)側(cè)丘腦腹前核和腹中間核）中的存在可能性及其對(duì)運(yùn)動(dòng)相關(guān)活動(dòng)的潛在貢獻(xiàn)。為此開發(fā)了一種制備方法，光遺傳學(xué)刺激初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層（M1）并記錄小鼠在行為任務(wù)中的VL/VM多單元活動(dòng)。研究發(fā)現(xiàn)，這項(xiàng)研究揭示了VL/VM中的神經(jīng)活動(dòng)模式具有剛性、刻板性和經(jīng)驗(yàn)獨(dú)立性，這些模式在行為任務(wù)中發(fā)揮重要作用，并且與特定神經(jīng)元亞群的行為相關(guān)身份緊密相連。這些發(fā)現(xiàn)有助于更好地理解大腦中nPAPs的功能和機(jī)制。

圖一 M1刺激時(shí)VL/VM的神經(jīng)響應(yīng)模式

作者在頭部固定的小鼠的運(yùn)動(dòng)丘腦中進(jìn)行了基于硅探針的多單元活動(dòng)記錄。在第一組實(shí)驗(yàn)中，記錄是在已經(jīng)適應(yīng)頭部固定條件3到5天的動(dòng)物中進(jìn)行的，沒有實(shí)施特定的運(yùn)動(dòng)任務(wù)。記錄的目標(biāo)是M1-VL/VM運(yùn)動(dòng)丘腦回路。具體來說，在M1中表達(dá)并刺激ChR2，并在VL/VM區(qū)域記錄神經(jīng)動(dòng)態(tài)。首先探索VL/VM活動(dòng)是否會(huì)反映出被動(dòng)皮層刺激作為在個(gè)體和群體水平上可重復(fù)的神經(jīng)動(dòng)態(tài)。為此，作者用兩種不同刺激間隔（ISI；300毫秒，3.3赫茲和500毫秒，2赫茲）的五次刺激M1。在這組實(shí)驗(yàn)中，從18只清醒的小鼠中記錄了總共1018個(gè)神經(jīng)元。在這些神經(jīng)元中，有641個(gè)至少對(duì)一種刺激呈現(xiàn)穩(wěn)定的反應(yīng)，其中377個(gè)對(duì)兩種刺激都呈現(xiàn)穩(wěn)定的反應(yīng)。M1誘發(fā)的反應(yīng)以短潛伏期瞬態(tài)激活為特征，隨后是短暫失活和長潛伏期反彈。然后分析了M1誘發(fā)反應(yīng)的幅度是否能夠經(jīng)歷對(duì)不同ISI的短期適應(yīng)。發(fā)現(xiàn)表明，可能存在一種依賴于刺激頻率的短期易化機(jī)制。減量反應(yīng)的幅度在刺激或刺激間隔（ISI）條件下沒有顯著差異。最后，對(duì)于兩種ISI，訓(xùn)練序列中的最后兩個(gè)刺激產(chǎn)生的振幅顯著小于第一個(gè)或第二個(gè)刺激，這表明在兩種條件下，反應(yīng)的第二個(gè)興奮性成分具有類似的短期適應(yīng)機(jī)制。

圖二 錐體束（PT）和皮層-丘腦（CT）神經(jīng)元對(duì)M1誘發(fā)模式的作用

首先通過在VL/VM中注射逆行病毒（AAV-retrograde-pgk-Cre AAV）誘導(dǎo)M1皮層-丘腦投射神經(jīng)元（包括PT和CT）中Cre重組酶的表達(dá)?？紤]到PT神經(jīng)元（而非CT神經(jīng)元）同時(shí)投射到VL/VM和背外側(cè)紋狀體（DLS），在第一次注射四周后，通過在與第一次注射同側(cè)的DLS中進(jìn)行第二次逆行病毒注射（pAAV-EF1a-doublefloxed-hChR2-eYFP）誘導(dǎo)PT神經(jīng)元中ChR2和GFP的Cre依賴性表達(dá)。四周后，能夠在M1中光學(xué)誘發(fā)PT活動(dòng)。該部分主要探究PT（投射型）和CT（皮層-皮層型）神經(jīng)元在M1誘發(fā)的活動(dòng)模式中的貢獻(xiàn)。使用光遺傳學(xué)技術(shù)通過注射逆行病毒在特定神經(jīng)元中表達(dá)ChR2和GFP，分別激活PT和CT神經(jīng)元。對(duì)不同神經(jīng)元亞群進(jìn)行刺激，并記錄丘腦VL/VM的反應(yīng)。PT神經(jīng)元對(duì)M1誘發(fā)的丘腦反應(yīng)貢獻(xiàn)較小，主要表現(xiàn)為活動(dòng)的短暫暫停，沒有顯著的短潛伏期增加或長潛伏期反彈。CT神經(jīng)元對(duì)M1誘發(fā)的丘腦反應(yīng)貢獻(xiàn)較大，能夠誘發(fā)典型的短潛伏期和長潛伏期激活模式。同時(shí)激活PT和CT神經(jīng)元時(shí)，反應(yīng)模式與單獨(dú)激活CT神經(jīng)元相似，但模式4的比例顯著增加。M1誘發(fā)的nPAPs主要與CT投射有關(guān)，PT神經(jīng)元的貢獻(xiàn)較小。

圖三 運(yùn)動(dòng)執(zhí)行期間的丘腦信號(hào)

作者接下來探討了M1誘發(fā)的丘腦nPAPs是否與運(yùn)動(dòng)執(zhí)行的特定參數(shù)相關(guān)。選取 13 只小鼠，訓(xùn)練其操作位于左前爪下方（與記錄位點(diǎn)對(duì)側(cè)）的杠桿。行為方案分為三個(gè)階段。第一階段為 “操作與建模”，讓小鼠適應(yīng)頭部固定條件，約進(jìn)行 2 - 3 次訓(xùn)練（每次 20 - 30 分鐘，每天 1 次），隨后將小鼠置于水限制條件下開始建模期，教導(dǎo)其移動(dòng)杠桿以獲取獎(jiǎng)勵(lì)（通過水嘴給予水滴獎(jiǎng)勵(lì)），建模期持續(xù)約 10 次訓(xùn)練（每次 50 - 60 分鐘，每天 1 次），獎(jiǎng)勵(lì)發(fā)放基于逐漸延長的移動(dòng)時(shí)長，從 50 毫秒（0.1 毫米位移閾值）到 500 毫秒位移（0.8 毫米位移閾值），對(duì)任何方向的移動(dòng)給予獎(jiǎng)勵(lì)，但單個(gè)小鼠很快表現(xiàn)出對(duì)向后或向前方向（即推或拉位移）的偏好，持續(xù)記錄、分析杠桿軌跡并與獎(jiǎng)勵(lì)發(fā)放（由位于小鼠前方的 1 秒綠燈指示）對(duì)齊。建模期后，小鼠開始在雙時(shí)長任務(wù)中進(jìn)行正式訓(xùn)練，要求小鼠在每個(gè)時(shí)長的連續(xù) 20 次試驗(yàn)交替區(qū)塊中分別進(jìn)行 200 毫秒或 500 毫秒的移動(dòng)，200 毫秒和 500 毫秒?yún)^(qū)塊分別由白色或藍(lán)色背景光指示。選擇這兩個(gè)移動(dòng)時(shí)長的原因一是盡可能匹配被動(dòng)刺激實(shí)驗(yàn)中使用的兩種刺激間隔時(shí)間，二是分析兩種時(shí)長差異至少兩倍的移動(dòng)。構(gòu)建了以下移動(dòng)參數(shù)的學(xué)習(xí)曲線：肢體內(nèi)部相關(guān)性及其方差（表明學(xué)習(xí)過程中移動(dòng)軌跡的穩(wěn)定性）、移動(dòng)超調(diào)量（表明移動(dòng)時(shí)長）、移動(dòng)力度、移動(dòng)速度。最后評(píng)估三個(gè)總體性能值：每次訓(xùn)練中的試驗(yàn)總數(shù)、獎(jiǎng)勵(lì)間隔時(shí)間、完成前 50 次試驗(yàn)的總時(shí)長，這三個(gè)值均隨訓(xùn)練顯著改善。通過電生理記錄，探討了在不同時(shí)間間隔（200毫秒和500毫秒）的運(yùn)動(dòng)任務(wù)中，VL/VM神經(jīng)元的活動(dòng)模式及其與運(yùn)動(dòng)執(zhí)行參數(shù)的關(guān)系。從13只小鼠的36次記錄中共記錄了461個(gè)神經(jīng)元。單個(gè)神經(jīng)元的放電活動(dòng)與運(yùn)動(dòng)執(zhí)行參數(shù)（如速度、超調(diào)量或幅度）之間未發(fā)現(xiàn)顯著相關(guān)性。神經(jīng)元的活動(dòng)作為一個(gè)整體，表現(xiàn)出激活/失活的梯度分布，至少有兩個(gè)明顯的端點(diǎn)。一組神經(jīng)元在運(yùn)動(dòng)過程中減少放電活動(dòng)。一組神經(jīng)元在運(yùn)動(dòng)過程中增加放電活動(dòng)。這種結(jié)構(gòu)在200毫秒和500毫秒的運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)中保持不變。丘腦神經(jīng)元在不同時(shí)間間隔任務(wù)中表現(xiàn)出不同的放電模式，這些模式與運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)備、啟動(dòng)和執(zhí)行密切相關(guān)。

綜上所述，作者研究探討了nPAPs在運(yùn)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中的存在和功能，尤其是在VL/VM中。研究發(fā)現(xiàn)，通過光遺傳學(xué)刺激M1所誘發(fā)的VL/VM活動(dòng)，被組織為在個(gè)體和群體水平上的刻板、定型的活動(dòng)模式。這些活動(dòng)模式無法動(dòng)態(tài)適應(yīng)M1刺激的不同時(shí)間結(jié)構(gòu)，表明它們是預(yù)先配置的，與經(jīng)驗(yàn)無關(guān)，并且在幾乎所有動(dòng)物中都存在。通過光遺傳學(xué)激活來自黑質(zhì)網(wǎng)狀部（SNr）到VL/VM區(qū)域的抑制性通路，影響了nPAPs和運(yùn)動(dòng)執(zhí)行參數(shù)，表明這些預(yù)先配置的活動(dòng)模式限制了與運(yùn)動(dòng)相關(guān)的丘腦活動(dòng)。未來研究需要進(jìn)一步探索這些預(yù)先配置的動(dòng)態(tài)如何在運(yùn)動(dòng)控制中發(fā)揮作用。

文章來源

https://doi.org/10.1038/s41467-024-54742-9

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