Nat Commun丨预配置皮层-丘脑神经动态揭示运动控制新机制

2024年11月24日，墨西哥国立自治大学神经生物学研究所Pavel E. Rueda-Orozco团队在Nature communications发表“Preconfigured cortico-thalamic neural dynamics constrain movement-associated thalamic activity”，揭示了预配置的皮层-丘脑神经动态限制了与运动相关的丘脑活动。

神经预配置活动模式（Neural Preconfigured Activity Patterns, nPAPs）是指大脑中预先存在的、有组织的神经活动模式。这些模式可以被看作是由一组神经元组成的活动单元，它们在特定的认知和感觉处理任务中发挥关键作用。然而，它们在运动网络中的存在和功能尚未得到明确研究。在这项研究中，作者探讨了nPAPs在运动丘脑（VL/VM，内侧丘脑腹前核和腹中间核）中的存在可能性及其对运动相关活动的潜在贡献。为此开发了一种制备方法，光遗传学刺激初级运动皮层（M1）并记录小鼠在行为任务中的VL/VM多单元活动。研究发现，这项研究揭示了VL/VM中的神经活动模式具有刚性、刻板性和经验独立性，这些模式在行为任务中发挥重要作用，并且与特定神经元亚群的行为相关身份紧密相连。这些发现有助于更好地理解大脑中nPAPs的功能和机制。

图一 M1刺激时VL/VM的神经响应模式

作者在头部固定的小鼠的运动丘脑中进行了基于硅探针的多单元活动记录。在第一组实验中，记录是在已经适应头部固定条件3到5天的动物中进行的，没有实施特定的运动任务。记录的目标是M1-VL/VM运动丘脑回路。具体来说，在M1中表达并刺激ChR2，并在VL/VM区域记录神经动态。首先探索VL/VM活动是否会反映出被动皮层刺激作为在个体和群体水平上可重复的神经动态。为此，作者用两种不同刺激间隔（ISI；300毫秒，3.3赫兹和500毫秒，2赫兹）的五次刺激M1。在这组实验中，从18只清醒的小鼠中记录了总共1018个神经元。在这些神经元中，有641个至少对一种刺激呈现稳定的反应，其中377个对两种刺激都呈现稳定的反应。M1诱发的反应以短潜伏期瞬态激活为特征，随后是短暂失活和长潜伏期反弹。然后分析了M1诱发反应的幅度是否能够经历对不同ISI的短期适应。发现表明，可能存在一种依赖于刺激频率的短期易化机制。减量反应的幅度在刺激或刺激间隔（ISI）条件下没有显著差异。最后，对于两种ISI，训练序列中的最后两个刺激产生的振幅显著小于第一个或第二个刺激，这表明在两种条件下，反应的第二个兴奋性成分具有类似的短期适应机制。

图二 锥体束（PT）和皮层-丘脑（CT）神经元对M1诱发模式的作用

首先通过在VL/VM中注射逆行病毒（AAV-retrograde-pgk-Cre AAV）诱导M1皮层-丘脑投射神经元（包括PT和CT）中Cre重组酶的表达。考虑到PT神经元（而非CT神经元）同时投射到VL/VM和背外侧纹状体（DLS），在第一次注射四周后，通过在与第一次注射同侧的DLS中进行第二次逆行病毒注射（pAAV-EF1a-doublefloxed-hChR2-eYFP）诱导PT神经元中ChR2和GFP的Cre依赖性表达。四周后，能够在M1中光学诱发PT活动。该部分主要探究PT（投射型）和CT（皮层-皮层型）神经元在M1诱发的活动模式中的贡献。使用光遗传学技术通过注射逆行病毒在特定神经元中表达ChR2和GFP，分别激活PT和CT神经元。对不同神经元亚群进行刺激，并记录丘脑VL/VM的反应。PT神经元对M1诱发的丘脑反应贡献较小，主要表现为活动的短暂暂停，没有显著的短潜伏期增加或长潜伏期反弹。CT神经元对M1诱发的丘脑反应贡献较大，能够诱发典型的短潜伏期和长潜伏期激活模式。同时激活PT和CT神经元时，反应模式与单独激活CT神经元相似，但模式4的比例显著增加。M1诱发的nPAPs主要与CT投射有关，PT神经元的贡献较小。

图三 运动执行期间的丘脑信号

作者接下来探讨了M1诱发的丘脑nPAPs是否与运动执行的特定参数相关。选取 13 只小鼠，训练其操作位于左前爪下方（与记录位点对侧）的杠杆。行为方案分为三个阶段。第一阶段为 “操作与建模”，让小鼠适应头部固定条件，约进行 2 - 3 次训练（每次 20 - 30 分钟，每天 1 次），随后将小鼠置于水限制条件下开始建模期，教导其移动杠杆以获取奖励（通过水嘴给予水滴奖励），建模期持续约 10 次训练（每次 50 - 60 分钟，每天 1 次），奖励发放基于逐渐延长的移动时长，从 50 毫秒（0.1 毫米位移阈值）到 500 毫秒位移（0.8 毫米位移阈值），对任何方向的移动给予奖励，但单个小鼠很快表现出对向后或向前方向（即推或拉位移）的偏好，持续记录、分析杠杆轨迹并与奖励发放（由位于小鼠前方的 1 秒绿灯指示）对齐。建模期后，小鼠开始在双时长任务中进行正式训练，要求小鼠在每个时长的连续 20 次试验交替区块中分别进行 200 毫秒或 500 毫秒的移动，200 毫秒和 500 毫秒区块分别由白色或蓝色背景光指示。选择这两个移动时长的原因一是尽可能匹配被动刺激实验中使用的两种刺激间隔时间，二是分析两种时长差异至少两倍的移动。构建了以下移动参数的学习曲线：肢体内部相关性及其方差（表明学习过程中移动轨迹的稳定性）、移动超调量（表明移动时长）、移动力度、移动速度。最后评估三个总体性能值：每次训练中的试验总数、奖励间隔时间、完成前 50 次试验的总时长，这三个值均随训练显著改善。通过电生理记录，探讨了在不同时间间隔（200毫秒和500毫秒）的运动任务中，VL/VM神经元的活动模式及其与运动执行参数的关系。从13只小鼠的36次记录中共记录了461个神经元。单个神经元的放电活动与运动执行参数（如速度、超调量或幅度）之间未发现显著相关性。神经元的活动作为一个整体，表现出激活/失活的梯度分布，至少有两个明显的端点。一组神经元在运动过程中减少放电活动。一组神经元在运动过程中增加放电活动。这种结构在200毫秒和500毫秒的运动试验中保持不变。丘脑神经元在不同时间间隔任务中表现出不同的放电模式，这些模式与运动的准备、启动和执行密切相关。

综上所述，作者研究探讨了nPAPs在运动网络中的存在和功能，尤其是在VL/VM中。研究发现，通过光遗传学刺激M1所诱发的VL/VM活动，被组织为在个体和群体水平上的刻板、定型的活动模式。这些活动模式无法动态适应M1刺激的不同时间结构，表明它们是预先配置的，与经验无关，并且在几乎所有动物中都存在。通过光遗传学激活来自黑质网状部（SNr）到VL/VM区域的抑制性通路，影响了nPAPs和运动执行参数，表明这些预先配置的活动模式限制了与运动相关的丘脑活动。未来研究需要进一步探索这些预先配置的动态如何在运动控制中发挥作用。

文章来源：https://doi.org/10.1038/s41467-024-54742-9

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