Cell：终于搞清楚了！杨五洲等发现控制手运动功能的神经回路
时间：2023-01-16 15:01:51 热度：37.1℃ 作者：网络
皮层通过广泛的自上而下投射到许多神经系统区域来影响运动。熟练的前肢（如人的手）运动需要脑干髓质回路；然而，皮层与这些神经元相互作用的逻辑仍未被探索。
2022年1月5日，巴塞尔大学Silvia Arber团队（杨五洲为第一作者）在Cell 在线发表题为“Structural and functional map for forelimb movement phases between cortex and medulla”的研究论文，该研究揭示了小鼠前皮层(AC)和髓质的精细解剖和功能图。不同的皮层区域产生三维的突触柱，平铺在外侧延髓上，在位置上与突触后神经元的背腹位置相匹配，调整到不同的前肢动作阶段。
虽然内侧AC (MAC)终止于腹侧并连接到前肢到达调节神经元，其沉默损害了到达，但外侧AC (LAC)影响了背侧定位的食物处理调节神经元，其沉默损害了处理。皮质-髓质神经元也通过分离通道相互作用逻辑将侧枝延伸到其他皮层下结构。总之，该研究结果揭示了皮层位置、功能和特定的前肢动作调节髓质神经元之间的精确对齐，从而阐明了这两个关键结构之间的相互作用原理。
运动皮层在进化上是运动系统的最新组成部分，影响中枢神经系统的许多区域。它投射到运动系统的不同区域，处理与动作执行和学习相关的信息。其中包括研究充分的前脑区域，最显著的是基底神经节和丘脑，以及更接近运动输出的结构，特别是脊髓和脑干。揭示运动皮层如何与运动系统层级中的不同处理站相互作用的组织原理对理解其功能至关重要。
虽然运动皮层通常被认为是一个连贯的单元，但存在多个维度的解剖学和功能多样性。最近在运动皮层的研究表明，皮层细胞多样性是由许多参数定义的，包括神经元形态、分子、遗传和表观遗传特征、发育程序以及电生理特性。最终，皮层神经元的通信和功能是由它们整合到具有特定突触输入和输出模式的回路中来定义的。探测皮层输出电位的一种经典方法是监测由皮层区域的微刺激引起的行为模式。这些实验根据目标皮层区域的特异性，揭示了在较长时间的刺激训练中，不同身体部位的运动或目标定向运动的产生。
根据这些数据，并基于记录和摄动实验，小鼠开始出现带有功能分配的皮层图，包括对前肢、胡须和舌头/下巴的控制。所描述的角色包括学习、决策、动作准备以及灵活动作的精确和调整。引人注目的是，纹状体神经元继承了来自皮层的信息，如解剖映射和行为小鼠的电生理记录所示，皮层和纹状体神经元对丰富的行为参数进行了并行编码。总之，这些发现表明了一种模块化的皮质组织，具有皮质下结构的通信特异性。因此，阐明引导皮层下神经元皮层通道的组织和功能的原则对于理解皮层细胞类型如何影响运动的执行和学习是至关重要的。回答这些问题将特别有助于运动程序的执行，尤其是脑干和脊髓，在那里与运动相关的信息被转化为行动。
熟练的前肢运动非常适合解决这些问题，因为它需要自主控制机制来产生不同阶段的肌肉激活的精确时间序列，在进化上是保守的，涉及到包括皮层在内的许多神经系统区域的合作。前肢行为在进化上是跨物种保守的，即伸手去拿和处理食物这一行为包括通过前肢接触及时将手运送到食物位置，抓住食物，缩回手将食物带到嘴边，以及在进食前和进食中操作食物。最近在老鼠身上进行的研究证明，脑干最末梢部分(即髓质)的神经元回路在控制熟练前肢运动的不同方面(包括触摸和处理)中起着重要作用。
文章模式图（图源自Cell ）
在猕猴身上进行的实验中，在脑干中水平切断皮层轴突下行，使部分髓质和整个脊髓缺乏皮层输入，导致前肢运动严重缺陷，而不影响姿势、运动和其他形式的身体运动。在脑干外侧下行通路病变中也观察到类似的缺陷，但没有观察到内侧下行通路病变。这些损伤实验的结果与小鼠熟练前肢运动相关的髓质回路的鉴定相结合，提高了皮层输入到外侧髓质可能有助于控制前肢运动的可能性。因此，将基于前肢的食物检索作为运动行为模型系统，与探测皮层和前肢调节髓质回路之间的相互作用相结合，代表了一个阐明涉及皮层的功能组织原理的完美机会。
皮层通过两类投射神经元与皮层下结构交流。尽管脑内(IT)神经元不将轴突延伸到端脑以外，但脑外(ET)神经元也建立到端脑外目标的投射。此外，最近的工作揭示了ET神经元分为两个种群：髓质投射种群，在运动准备的晚期阶段与运动开始、执行和终止相一致，以及丘脑投射种群，主要在早期准备时间窗口中活跃。髓质投射群是否以及如何与参与前肢运动目前尚不清楚。
为了关注构建小鼠熟练前肢运动所需的神经元基质和相互作用原理，在这里，该研究系统地绘制了皮层和髓质之间的通信情况。该研究发现前皮质输入是最突出的来源，并在外侧髓质内专门组织为三维背腹侧(DV)突触柱。该研究定义了一个内侧皮层区域，它对前肢到达至关重要，并优先连接到调谐髓质神经元，以及一个外侧皮层区域，它对食物处理至关重要，并连接到调谐髓质神经元。总之，这些发现揭示了不同皮层区域和尾脑干中匹配的突触后神经元之间精确的解剖结构和功能组织，调整到一个精心编排的行为的不同阶段。
参考消息：
https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(22)01522-7
