运动学习的神经生物学机制研究进展合集

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作者:RWD
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Science Advances:揭示运动皮层和丘脑在运动技巧学习和执行中的不同作用


运动技巧的习得和执行是由分布于大脑皮层以及皮层下的运动网络所介导的。感觉运动纹状体(背外侧纹状体;Dorsolateral Striatum, DLS)是这个网络中一个非常重要的节点,然而它的两个主要神经传入区域——运动皮层和丘脑的作用,在很大程度上仍然是未知的。


2022年2月25日,哈佛大学的研究人员在《Science Advances》期刊上发表了题为“Distinct roles for motor cortical and thalamic inputs to striatum during motor skill learning and execution”的研究论文,该研究阐述了运动皮层和丘脑在运动技巧学习和执行过程中的作用。在该研究中,研究者通过沉默运动皮层或丘脑到DLS的神经投射来探讨它们的作用。虽然投射到DLS的运动皮层神经元对运动技巧的学习至关重要,但在完成学习后沉默这些神经元对动物的运动表现并没有影响。相反,沉默投射到DLS的丘脑神经元会破坏动物运动技巧的执行,导致动物恢复到其物种典型的按压行为,并阻止它们重新学习运动技巧。这些结果表明,运动皮层和丘脑在运动技巧的学习和执行中扮演着不同的角色,它们在纹状体中的相互作用是皮层下运动环路学习经历依赖变化的基础。


这些结果为研究运动皮层、丘脑和纹状体之间的相互作用以及它们是如何形成特定的运动模式提供了新见解。


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Science:揭示运动过程中第5层锥体神经元簇状树突的动态分区计算机制


皮质锥体神经元通常拥有一棵复杂的树突树,用来接收和整合到达神经元的大量突触传入。第5层锥体神经元的簇状树突构成了对运动技巧学习和表现至关重要的特殊区域,但它们的计算能力尚不清楚。


2022年4月15日,以色列理工大学的研究人员在《Science》期刊上发表了一篇题为“Dynamic compartmental computations in tuft dendrites of layer 5 neurons during motor behavior”的研究论文。该研究发现,在运动任务中,运动皮层的簇状树突的结构-功能映射显示了两种形态不同的第5层锥体束神经元(Pyramidal Tract Neurons, PTNs),它们表现出特定的簇状结构计算特性。早期分叉和大联结的PTNs表现出明显的簇功能分区化,代表了其两个簇半树内部和之间的不同运动变量组合。相比之下,晚期分叉和较小联结的PTNs表现出整个簇状树突同步激活。


该研究的发现支持一个PTNs形态依赖的运动计算框架,在这个框架中,独立的簇单元可以组合起来代表同一树中的不同运动序列。


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Neuron:阐明运动学习对皮层INs全局和亚型特异性的调控机制


抑制性神经元(Inhibitory Neurons, INs)由具有独特功能的不同亚型组成。这种不同INs亚型的调控对发育以及成熟大脑兴奋性环路的形成至关重要。越来越多的证据表明不同的INs亚型在运动学习中发挥着独特的作用,但这些研究主要集中在M1上。鉴于运动学习伴随着兴奋性神经元皮层范围活动的重组,因此有必要确认运动学习是否也会在整个皮层范围内调控INs亚型。


2022年5月17日,加州大学圣地亚哥分校的研究人员在《Neuron》期刊上发表了一篇题为“Global and subtype-specific modulation of cortical inhibitory neurons regulated by acetylcholine during motor learning”的研究论文。研究显示,运动学习引起了整个大脑皮层中INs亚型的整体调节。最初的学习阶段涉及血管活性肠表达肽INs(VIP-INs)的强烈激活和表达生长抑素INs(SOM-INs)的微弱激活。VIP-INs失活会增加SOM-INs的活动并损害最初的学习。与此同时,来自基底前脑的皮质胆碱能传入在最初学习阶段时更加活跃,但在学习过程中变得没那么活跃。扰乱胆碱能系统会导致运动学习能力受损并对不同INs亚型的活性产生差异改变。


这些结果表明,运动学习可以通过基底前脑胆碱能系统对整个皮层INs的全局活动或不同亚型INs的特异性活动进行调控。


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Cell Reports:皮层-纹状体网络通过时空重组来编码运动技巧学习


基底神经节是运动学习的关键脑区,尤其是纹状体。纹状体整合了来自许多皮层区域的神经传入,因此,不同的纹状体亚区的功能因传入区域的不同而存在差异,背内侧纹状体(Dorsomedial Striatum, DMS)是联想环路的重要节点,而背外侧纹状体(Dorsolateral Striatum, DLS)是感觉运动环路的重要节点,它们都在运动学习的不同阶段发挥了作用。然而,有关运动学习在两种环路中是如何被编码和保持的,目前的研究尚未完全阐明。


2022年4月5日,法国格勒诺布尔大学的研究人员在《Cell Reports》上发表了题为“Spatiotemporal reorganization of corticostriatal networks encodes motor skill learning”的文章。研究证实,运动技巧学习在DMS和DLS中诱导了特定的网络重组,不同模式高度活跃的DMS和DLS神经元与运动表现有关。DMS神经元的整体活性在早期训练中下降,高度活跃细胞很少且分布稀疏,而DLS表现出渐进和持久形成的高度活跃细胞集群。这些重组源于DMS神经元的突触连接的加强以及DLS细胞的重排。靶向沉默DMS或DLS 中高度活跃细胞会严重损害个体的运动表现。


该研究表明,DMS早期高度活跃细胞可能是运动技巧习得所必需的,而DLS 中的高度活跃细胞集群则允许运动技巧长期保留。


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