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2025年7月2日，哈佛醫學院神經生物學系Wade G. Regehr在Nature communications發表：Processing reliant on granule cells is essential for motor learning but dispensable for social preference and numerous other cerebellar dependent behaviors，揭示了依賴顆粒細胞的信息處理對于運動學習至關重要，但對于社交偏好及許多其他小腦依賴的行為則是非必需的。

苔蘚狀纖維輸入通過顆粒細胞（GC）依賴的信息處理轉化為小腦浦肯野細胞（PC）的輸出。小腦功能障礙會導致運動、學習、情緒和社會行為方面的缺陷，這些通常被認為源于苔蘚狀纖維輸入處理受損所導致的浦肯野細胞放電異常，盡管浦肯野細胞也可以在不依賴顆粒細胞的情況下放電。為了區分顆粒細胞和浦肯野細胞在小腦相關行為中的具體貢獻，作者分別干擾了顆粒細胞信號（保持浦肯野細胞放電正常），以及干擾了浦肯野細胞信號。發現顆粒細胞信號和浦肯野細胞信號對于前庭眼反射（VOR）學習都是必不可少的。干擾浦肯野細胞信號會損害VOR、焦慮樣行為和社交行為，而阻斷顆粒細胞信號則不會造成這些影響。這一結果表明，雖然顆粒細胞信號對于運動學習至關重要，但它并不影響包括自閉癥譜系障礙相關行為在內的許多其他行為。

圖一 顆粒細胞信號傳導在條件反射眨眼測試中的運動學習必不可少

已有充分研究表明，干擾PC信號會損害條件反射眨眼學習，但消除GC信號的影響尚不清楚。因此，作者測試了干擾顆粒細胞信號是否會影響在條件反射眨眼測試中的運動學習。作者使用了一種小鼠模型，介導突觸傳遞的鈣通道（CaV2.1、CaV2.2和CaV2.3）可以通過α6-Cre和GABAR6-Cre特異性在顆粒細胞中被條件性敲除（GC TKO小鼠）。在之前的研究中，已經證明這種三重鈣通道敲除方法可以有效阻斷顆粒細胞信號而不會引起明顯的形態變化。實驗中，非條件刺激（US）為氣流吹眼總是會引起眼睛閉合；條件刺激（CS）為白光LED照明。利用深度學習技術檢測上下眼瞼的位置以及閉合眼瞼的位置從而測量眼瞼閉合的幅度。實驗在小鼠以適中速度（0.025m/s）跑步于電動跑步機上進行，以促進快速學習。盡管顆粒細胞敲除小鼠表現出共濟失調，它們仍能在該條件下完成跑步任務，從而避免因運動速度差異對學習產生的間接影響。對照組小鼠在訓練過程中對條件刺激的反應逐漸增強。相比之下，即使經過多天訓練，顆粒細胞敲除小鼠也沒有對條件刺激產生明顯反應，但它們對非條件刺激的反應正常。對照組小鼠的條件反應（CR）幅度（LED照明后0.4–0.5秒內的最大眼瞼閉合）在第8天達到了平均77.6%，而顆粒細胞敲除小鼠僅為8.1%。條件反應概率（振幅超過50%的反應比例）在第8天，對照組達到72.5%，而顆粒細胞敲除小鼠僅為8%。另一組顆粒細胞敲除小鼠也得到了類似結果。在第9天，對照組的條件反應幅度為85.2%，而該組顆粒細胞敲除小鼠僅為1.5%；條件反應概率分別為83.3%和0%。綜上所述，干擾顆粒細胞信號會完全破壞條件反射眨眼測試中的運動學習能力。

圖二 顆粒細胞信號傳導在VOR學習測試中對運動學習至關重要

作者還測試了顆粒細胞信號在增益下調型VOR學習中所起的作用。實驗中，在小鼠以每秒0.025米的速度跑步于電動跑步機上時進行VOR學習測試。這一做法有助于統一運動狀態，并使小鼠在整個訓練過程中保持清醒和警覺。在連續四天的實驗中，作者每天在訓練前后測量VOR反應。在測試階段，在黑暗環境中對頭部固定的動物施加前庭刺激（轉盤±5°、頻率0.5Hz），并記錄其代償性眼動。在訓練階段，相同的前庭刺激伴隨視覺刺激（垂直條紋）出現，這些條紋與轉盤運動同步左右移動，偏移角度在第1至第4天分別為±5°、±7.5°、±10°和±10°。每天共進行六次訓練。對照組小鼠學會了減少代償性眼動，從而降低VOR增益，表現為補償眼動角速度逐漸下降。所有對照組小鼠都表現出這種學習效果，但在兩種顆粒細胞敲除小鼠中均未觀察到。同樣地，在浦肯野細胞敲除小鼠中也未能觀察到學習反應。與對照組相比，顆粒細胞敲除小鼠在整個訓練過程中都表現出明顯的運動學習障礙。另一組顆粒細胞敲除小鼠和浦肯野細胞敲除小鼠也表現出類似的運動學習缺陷。綜上所述，無論是干擾顆粒細胞信號還是干擾浦肯野細胞信號，都會完全破壞VOR學習能力。

圖三 干擾顆粒細胞和浦肯野細胞信號對特定自發行為產生不同影響

作者進一步研究了干擾GC和PC信號對自發行為的影響。為此，使用了一種 “運動序列分析”的行為分析平臺。在該平臺中，通過深度攝像機記錄單個小鼠在圓形測試區域內的運動，并將其行為分解為一系列不同的三維“行為音節”，這些音節共同構成了小鼠的自發行為。MoSeq分析發現，有些行為音節在顆粒細胞和浦肯野細胞敲除小鼠中都受到類似程度的影響，例如步態、平衡木和旋轉桿測試中的表現。而另一些行為音節則只在浦肯野細胞敲除小鼠中發生改變。前一類行為音節主要與運動的啟動和停止有關，而后一類則與靜止狀態下的身體晃動以及運動啟動相關。除此之外，顆粒細胞和浦肯野細胞敲除小鼠與其各自的對照組相比，在多種行為音節的使用頻率上表現出既有重疊也有差異的模式。干擾浦肯野細胞和顆粒細胞信號會以不同方式改變某些自發行為。后續實驗進一步表明，干擾浦肯野細胞和顆粒細胞信號還會對其他行為產生差異化影響。在曠場測試中，只有浦肯野細胞敲除小鼠表現出運動活動減少，而兩種顆粒細胞敲除小鼠的運動水平均正常。進一步分析曠場中的運動速度發現，浦肯野細胞敲除小鼠更多地處于低速運動狀態（0–5 cm/s），而在高速運動狀態（20–100 cm/s）下停留時間更少；相比之下，顆粒細胞敲除小鼠與對照組之間沒有明顯差異。在中心區域停留時間方面，所有敲除小鼠與對照組相比均無顯著變化。作者還使用明暗箱測試來評估焦慮樣行為。小鼠天生傾向于避開明亮環境，通常偏好待在黑暗箱中。在明亮箱中停留時間減少通常被認為是焦慮樣行為增加的表現。發現浦肯野細胞敲除小鼠在明亮箱中停留的時間顯著少于對照組，而兩種顆粒細胞敲除小鼠在明亮箱中的停留時間與對照組相當。浦肯野細胞敲除小鼠在明暗箱測試中的行為異常并非單純由運動障礙引起。綜上所述，干擾浦肯野細胞和顆粒細胞信號會以不同方式影響包括VOR學習、自發行為、運動能力和焦慮樣行為在內的多種行為特征。

綜上所述，本研究揭示了小腦顆粒細胞在不同行為功能中的作用具有顯著差異：顆粒細胞依賴的信息處理對運動學習至關重要，例如精細動作的協調和適應性運動控制；但在諸如社交偏好、情緒調節和空間記憶等非運動相關行為中卻并非必需。研究為理解小腦在運動與非運動功能中的神經機制提供了新視角，也為針對不同小腦疾病的精準干預（如共濟失調與自閉癥譜系障礙）奠定了理論基礎。

文章來源

https://doi.org/10.1038/s41467-025-61190-6