5月9日，中國科學院神經(jīng)科學研究所、腦科學與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心、神經(jīng)科學國家重點實驗室蒲慕明院士研究組在《美國科學院院刊》在線發(fā)表了題為《運動學習中背外側(cè)紋狀體直接通路和間接通路神經(jīng)元穩(wěn)定、獨特的順序性電活動的涌現(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)元在運動學習過程中的電活動變化，并且揭示了神經(jīng)元集群的電活動如何經(jīng)過學習依賴的時序重構(gòu)最終形成獨特、穩(wěn)定的順序性發(fā)放模式，同時發(fā)現(xiàn)兩條通路的神經(jīng)元活動在運動行為中具有相對獨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(guān)重要。背外側(cè)紋狀體腦區(qū)主要接收來自感覺運動皮層四肢代表區(qū)的投射，在正常運動功能的執(zhí)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(qū)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(jīng)元，分別介導了基底神經(jīng)節(jié)運動調(diào)控中的兩條經(jīng)典通路，直接通路和間接通路。傳統(tǒng)的拮抗模型認為直接通路促進運動，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(xié)同模型認為，直接通路會促進期望運動的產(chǎn)生，間接通路會抑制那些與目的無關(guān)的競爭性運動。
紋狀體神經(jīng)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為的電活動模式時，起一個閘門式的調(diào)節(jié)作用。迄今，關(guān)于直接通路和間接通路神經(jīng)元在運動學習過程的參與機制仍存有爭議。
據(jù)介紹，研究人員在這項研究中重點關(guān)注三個問題：第一，運動學習將會如何影響背外側(cè)紋狀體神經(jīng)元的活動？第二，運動學習產(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)元活動中是否有差異？最后，若兩條通路神經(jīng)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(jīng)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(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，實現(xiàn)了對大腦深部神經(jīng)元集群電活動的長期穩(wěn)定記錄。
據(jù)悉，研究人員訓練小鼠學習一項聲音提示下的推桿運動任務(wù)，并在此訓練過程中使用在體雙光子成像技術(shù)，長時程追蹤背外側(cè)紋狀體同一群神經(jīng)元的電活動。通過特異性標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習過程，兩條通路的神經(jīng)元集群都逐漸產(chǎn)生了獨特的、穩(wěn)定的、順序性發(fā)放的電活動模式，直接通路神經(jīng)元傾向于在信號感知和推桿操作時活動，而間接通路神經(jīng)元則更多地在推桿動作之后反應(yīng)，并且在不同的運動任務(wù)場景中同一群神經(jīng)元的電活動模式會發(fā)生改變。進一步的化學抑制實驗結(jié)果表明，特異性抑制直接通路神經(jīng)元會破壞推桿運動的起始，而特異性抑制間接通路神經(jīng)元會引起試驗間隔里的錯誤推桿次數(shù)顯著上升。任一通路的抑制均會降低推桿動作本身的熟練程度。
這些實驗結(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)的過程當中，在任務(wù)規(guī)則的貫徹上，前者主要負責目標運動的起始，后者主要負責與任務(wù)目的無關(guān)的運動的抑制；在具體動作的執(zhí)行上，二者都參與了對推桿動作準確度的調(diào)控。兩條通路彼此配合，共同保證小鼠可以高效、準確地執(zhí)行學會的運動任務(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識，為揭示運動學習的環(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)的運動障礙疾病的機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，中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項和上海市重大科技專項等項目的資助。
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