5月9日，中國(guó)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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室蒲慕明院士研究組在《美國(guó)科學(xué)院院刊》在線發(fā)表了題為《運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)中背外側(cè)紋狀體直接通路和間接通路神經(jīng)元穩(wěn)定、獨(dú)特的順序性電活動(dòng)的涌現(xiàn)》。該工作系統(tǒng)描述了背外側(cè)紋狀體直接通路和間接通路的同一群神經(jīng)元在運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)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(xí)依賴的時(shí)序重構(gòu)最終形成獨(dú)特、穩(wěn)定的順序性發(fā)放模式，同時(shí)發(fā)現(xiàn)兩條通路的神經(jīng)元活動(dòng)在運(yùn)動(dòng)行為中具有相對(duì)獨(dú)立又彼此配合的角色分工。
運(yùn)動(dòng)技能的學(xué)習(xí)和掌握對(duì)于個(gè)體的生存至關(guān)重要。背外側(cè)紋狀體腦區(qū)主要接收來(lái)自感覺(jué)運(yùn)動(dòng)皮層四肢代表區(qū)的投射，在正常運(yùn)動(dòng)功能的執(zhí)行、運(yùn)動(dòng)技能的學(xué)習(xí)以及習(xí)慣形成中具有重要的作用。已知該腦區(qū)主要分布著由多巴胺1型和2型受體分別標(biāo)記的多棘投射神經(jīng)元，分別介導(dǎo)了基底神經(jīng)節(jié)運(yùn)動(dòng)調(diào)控中的兩條經(jīng)典通路，直接通路和間接通路。傳統(tǒng)的拮抗模型認(rèn)為直接通路促進(jìn)運(yùn)動(dòng)，間接通路抑制運(yùn)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(rèn)為，直接通路會(huì)促進(jìn)期望運(yùn)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(jìng)爭(zhēng)性運(yùn)動(dòng)。
紋狀體神經(jīng)元在運(yùn)動(dòng)技能學(xué)習(xí)過(guò)程扮演一個(gè)重要的角色，在運(yùn)動(dòng)皮層選擇控制運(yùn)動(dòng)行為的電活動(dòng)模式時(shí)，起一個(gè)閘門式的調(diào)節(jié)作用。迄今，關(guān)于直接通路和間接通路神經(jīng)元在運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)過(guò)程的參與機(jī)制仍存有爭(zhēng)議。
據(jù)介紹，研究人員在這項(xiàng)研究中重點(diǎn)關(guān)注三個(gè)問(wèn)題：第一，運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)將會(huì)如何影響背外側(cè)紋狀體神經(jīng)元的活動(dòng)？第二，運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)產(chǎn)生的影響在背外側(cè)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(xí)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(xiàn)了對(duì)大腦深部神經(jīng)元集群電活動(dòng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定記錄。
據(jù)悉，研究人員訓(xùn)練小鼠學(xué)習(xí)一項(xiàng)聲音提示下的推桿運(yùn)動(dòng)任務(wù)，并在此訓(xùn)練過(guò)程中使用在體雙光子成像技術(shù)，長(zhǎng)時(shí)程追蹤背外側(cè)紋狀體同一群神經(jīng)元的電活動(dòng)。通過(guò)特異性標(biāo)記直接通路和間接通路的神經(jīng)元，研究者們觀察到伴隨著小鼠的學(xué)習(xí)過(guò)程，兩條通路的神經(jīng)元集群都逐漸產(chǎn)生了獨(dú)特的、穩(wěn)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(hào)感知和推桿操作時(shí)活動(dòng)，而間接通路神經(jīng)元?jiǎng)t更多地在推桿動(dòng)作之后反應(yīng)，并且在不同的運(yùn)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(yàn)結(jié)果表明，特異性抑制直接通路神經(jīng)元會(huì)破壞推桿運(yùn)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(yàn)間隔里的錯(cuò)誤推桿次數(shù)顯著上升。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(yàn)結(jié)果表明，直接通路和間接通路的神經(jīng)元都參與到小鼠執(zhí)行向右推桿任務(wù)的過(guò)程當(dāng)中，在任務(wù)規(guī)則的貫徹上，前者主要負(fù)責(zé)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的起始，后者主要負(fù)責(zé)與任務(wù)目的無(wú)關(guān)的運(yùn)動(dòng)的抑制；在具體動(dòng)作的執(zhí)行上，二者都參與了對(duì)推桿動(dòng)作準(zhǔn)確度的調(diào)控。兩條通路彼此配合，共同保證小鼠可以高效、準(zhǔn)確地執(zhí)行學(xué)會(huì)的運(yùn)動(dòng)任務(wù)。
專家表示，這一研究為基底神經(jīng)節(jié)直接通路和間接通路的架構(gòu)和功能提供了新的認(rèn)識(shí)，為揭示運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)的環(huán)路原理提供了重要數(shù)據(jù)。該研究為基底神經(jīng)節(jié)相關(guān)的運(yùn)動(dòng)障礙疾病的機(jī)制研究和治療提供了新線索。
據(jù)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(dǎo)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(guó)科技部的973項(xiàng)目，中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)和上海市重大科技專項(xiàng)等項(xiàng)目的資助。
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