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近日，来自霍华德·休斯医学研究所的Karel Svoboda教授团队在Cell在线发表了题为“A midbrain - thalamus - cortex circuit reorganizes cortical dynamics to initiate planned movement”的研究论文，报道了上行的中脑神经元通过丘脑触发运动皮层活动的快速重组，从与计划相关的活动转变为启动小鼠运动的命令。
许多行为，包括有目的的运动，都是由需要不同计算的连续阶段组成的。例如，在红灯等待转弯时，我们计划在踩油门的同时转动方向盘。信号灯变绿后，我们就可以毫不费力地执行一个熟练动作的程序来实现我们的目标。 计划和执行阶段是由不同的神经元活动模式产生的。运动行为通常在执行前很久就计划好了，但只有在特定的感官事件之后才释放。计划和执行都与运动皮层活动的不同模式相关。关键问题是这些动态活动模式是如何产生的，以及它们如何与行为相关联。 本篇文章中，作者就研究了连接听觉“GO cue”和从计划到执行定向舔舐的过渡的多区域神经回路。  欢迎加入 全国运动与脑科学学术讨论群 全国神经环路学术讨论群 添加小编微信 brainnews_11 -留言：运动与脑科学、神经环路研究群- 1.运动开始前的模式切换 作者首先进行了小鼠的触觉延迟反应实验。对左侧前外侧运动皮层(ALM)的锥体神经元分析显示，ALM神经元在延迟期（2628/5226个神经元）和响应期（3271/5226个神经元）都对舔方向有选择性的尖峰率。 同时，作者分析了活动空间中的神经动力学来量化ALM中与运动相关的选择性。这些结果表明，ALM中的群体活动模式在运动开始之前和过程中迅速改变（图1D）。
2.模式切换无需舔舐 CDresponse被定义为GO cue开始后区分舔向的方向，Dgo则是区分GO cue前后活动的方向。为了确定导致运动执行的活动模式Dgo和CDresponse，作者抑制了投射到延髓的ALM神经元（PTlower）。光遗传学沉默导致提示触发的舔舐丧失，在光刺激结束后，小鼠以正确的方向舔舐（图2B和2C）。 接下来，作者还检测了被光刺激沉默或兴奋的细胞类型（图2D-2F）。在Lick-Right实验中，PTlower的沉默减弱了沿CDresponse的活动，而不影响沿Dgo的活动（图2G）。
3.丘脑将Go cue信号传送到ALM 文献显示，ALM与thalALM具有密切的相互联系，包括腹内侧(VM)、腹前外侧(VAL)、内侧(MD)、中央旁(PCN)等。ALM与thalALM中的神经元都对Go cue做出相应，且丘脑的潜伏期更短。作者还证实ALM的光抑制降低了延迟期thalALM的活性，但没有改变thalALM中Go cue响应的幅度（图3D-3F）。
4.丘脑-ALM投射的输入 作者在thalALM中注射了逆行示踪剂，揭示了来自同侧额叶皮层和多个皮层下区域的输入，包括黑质网状部(SNr)、上丘(SC)、小脑深核(DCN)和PPN/MRN。其中PPN/MRN 神经元对thalALM有广泛的投射，且它们的输出与thalALM中的短延迟Go cue响应重叠（图4A和4B）。 PPN包含高密度的胆碱能细胞和谷氨酸能细胞，全细胞膜片钳实验证实了从PPN/MRN 到thalALM神经元的直接谷氨酸能输入。
5.Go cue后丘脑投射大脑区域的延迟 接下来，作者比较了投射到thalALM皮层下区域的Go cue反应的延迟。多个区域发现了具有快速Go cue响应（<15 ms）的神经元，包括外侧丘系核(NLL)、脑桥网状核；听觉丘脑（内侧膝状体，MGB）（图5A）。 通过分析Go cue后跨大脑区域的延迟和峰值率得知，所有投射到丘脑的脑区都包含Go cue潜伏期比thalALM短的细胞，而PPN/MRN包含潜伏期最短的细胞（图5D和5E）。
6.丘脑投射PPN/MRN神经元的 阶段性刺激模仿Go cue 如果PPN/MRN通过丘脑向ALM发出Go cue信号，那么PPN/MRNTh神经元的阶段性光遗传学刺激应该会触发Go cue的效果。作者利用注射表达ChR2的AAV病毒的小鼠证实了这一点（图6A-6C）。 此外，PPN/MRNTh神经元的光刺激诱导的口面部运动类似于由Go cue触发的运动。小鼠没有通过预测Go cue时间来启动运动（图 6D）。ALM的细胞外记录也显示Go cue和光刺激产生的活动变化非常相似。
7.丘脑投射PPN/MRN神经元 的扰动阻断运动开始 为了测试PPN/MRNTh神经元的活动是否对于提示触发的运动启动是必要的，作者对Go cue期间的PPN/MRN进行了光遗传学扰动，结果阻止了Go cue触发的舔舐（图7A和7B）。 PPN/MRNTh和ALM神经元的细胞外记录也证实了这一点，当Syn+或CamKII+ PPN/MRNTh神经元受到干扰时，ALM神经元表现出Go cue反应的丧失（图7C），但在ChAT+ PPN/MRN 受到干扰时则没有，这与行为效应一致。
综上所述，作者在延迟定向舔舐任务的背景下，映射了Go cue触发的活动模式切换和由此产生的运动启动的潜在机制。通过结合解剖学和大规模电生理记录，作者证实了Go cue相关信息通过thalALM从中脑流向ALM，启动ALM中的DGO信号和运动命令式动力学并产生适当的运动。  Inagaki et al., A midbrain-thalamus-cortex circuit reorganizes cortical dynamics to initiate movement, Cell (2022), https:///10.1016/j.cell.2022.02.006 编译作者：Leo Ray（brainnews创作团队） |
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