Cell：发现一种触发有计划的运动执行的大脑回路

2022年3月23日讯/生物谷BIOON/---有计划的运动对我们的日常生活至关重要，而它往往需要延迟执行。作为孩子，我们蹲着准备，但在从起跑线上冲刺之前，要等待“出发（go）！”的喊声。作为成年人，我们等待交通信号灯变绿后再转弯。在这两种情况下，大脑已经计划好了我们的精确动作，但在一个特定的线索（例如，“出发！”的喊声或绿灯）之前抑制了它们的执行。如今，在一项新的研究中，来自马克斯-普朗克佛罗里达神经科学研究所、霍华德休斯医学研究所珍妮莉亚研究园区和艾伦脑科学研究所等研究机构的研究人员发现了根据这个线索将计划转化为行动的大脑网络。相关研究结果发表在2022年3月17日的Cell期刊上，论文标题为“A midbrain-thalamus-cortex circuit reorganizes cortical dynamics to initiate movement”。

在论文第一作者Hidehiko Inagaki博士和Susu Chen博士以及论文通讯作者Karel Svoboda博士的领导下，这些作者着手了解我们环境中的线索如何能够触发有计划的运动。

Inagaki博士说，“大脑就像一个管弦乐队。在交响乐中，乐器以不同的节奏和音色演奏不同的曲子。这些声音的组合形成了一个乐句。同样，大脑中的神经元也以不同的模式和时机活跃着。神经元活动的集合体调解了我们行为的特定方面。”

比如，运动皮层（motor cortex）是一个控制运动的大脑区域。运动皮层的活动模式在运动的计划和执行阶段有很大的不同。这些模式之间的过渡对于触发运动至关重要。然而，控制这种过渡的大脑区域是未知的。Inagaki博士说，“必须有大脑区域充当指挥者。这类区域监测环境线索并协调神经元活动从一种模式切换到另一种模式。这种指挥者确保计划在正确的时间转换为行动。”

图片来自Cell, 2022, doi:10.1016/j.cell.2022.02.006。

为了确定作为指挥者启动有计划的运动的神经回路，这些作者在小鼠执行线索触发的运动任务时，同时记录了数百个神经元的活动。在这项任务中，小鼠被训练为在胡须被触及时向右舔食，或在胡须未被触及时向左舔食。如果这些小鼠向正确的方向舔食，它们会得到奖励。然而，有一个问题。它们必须推迟它们的动作，直到播放一个提示音调，即“go cue”。只有在“提示音调”播放后执行正确动作才会得到奖励。因此，小鼠在“提示音调”播放之前保持着它们将舔食的方向的计划，并在提示音调播放之后执行计划的舔食。

这些作者随后将复杂的神经元活动模式与行为任务的相关阶段相关联在一起。他们发现，在提示音调播放之后以及在运动计划和执行之间的转换期间，大脑活动立即发生。这种大脑活动产生于中脑、丘脑和皮层中的神经回路。

为了测试这种回路是否起着指挥者的作用，这些作者使用了光遗传学。这种方法使得他们能够用光来激活或不激活这种回路。在行为任务的计划阶段激活这种回路，将小鼠的大脑活动从运动计划转向执行，并导致小鼠舔食。另一方面，在播放提示音调时关闭该回路会抑制这种提示触发的运动。这些小鼠仍然处于运动计划阶段，就像它们没有收到提示音调一样。

Inagaki博士和他的同事们领导的这项研究确定了一种对环境线索触发运动至关重要的神经回路。Inagaki博士解释了他们的研究结果如何证明了行为控制的普遍性特征。“我们发现了一种神经回路，它可以在适当的时候将运动皮层的活动从运动计划改变为执行。这让我们深入了解了大脑如何协调神经元活动以产生复杂的行为。未来的研究工作将集中在了解这种神经回路和其他神经回路如何在许多大脑区域重塑神经元活动。”

除了在理解大脑如何运作方面的这些基本进展外，这项新的研究还具有重要的临床意义。在诸如帕金森病之类的运动障碍中，患者在自我启动运动方面遇到困难，包括行走困难。然而，增加环境线索来触发运动，如地板上的线条或听觉音调，可以极大地改善患者的活动能力。这种称为矛盾运动症（paradoxical kinesia）的现象表明大脑中的不同机制被招募用于自我启动运动和线索触发的运动。发现参与线索触发运动的大脑网络，可能有助于优化治疗，毕竟这些大脑网络在帕金森病中相对较少。（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

Hidehiko K. Inagaki et al. A midbrain-thalamus-cortex circuit reorganizes cortical dynamics to initiate movement. Cell, 2022, doi:10.1016/j.cell.2022.02.006.