文献速读 | 运动学习机制研究最新进展

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作者:RWD
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Neuron:揭示皮质-纹状体神经元被募集形成运动记忆印迹的作用机制


学习和执行新的运动技能是大脑的重要功能,涉及到运动皮层和基底神经节的协调活动。初级运动皮层(M1)神经元的活动模式以及纹状体棘状突起投射神经元(Spiny Projection Neurons, SPNs)在运动学习过程中不断适应,从而与习得的技能联系更加紧密。然而,在运动学习过程中,神经元是如何经历突触变化并被招募来形成记忆印迹的,目前的研究尚未完全阐明。


2022年7月8日,斯坦福大学的研究人员在《Neuron》杂志上发表题为“Motor learning selectively strengthens cortical and striatal synapses of motor engram neurons”的文章。该研究发现运动学习需要运动皮层中大量的记忆印迹神经元,这些神经元在任务执行过程中被重新激活。此外,运动学习导致树突棘选择性的重塑和M1-纹状体的输出增强。


该研究揭示了皮质-纹状体环路在形成长期运动记忆印迹时具有高度选择性的突触可塑性机制

皮质-纹状体环路在形成长期运动记忆印迹时具有高度选择性的突触可塑性机制


Science Advances:运动学习过程中皮层树突棘动态活动的突触前监督机制


树突状结构的可塑性涉及到棘的形成和转换,是哺乳动物新皮层学习和记忆形成的细胞学基础。然而,由于突触前输入神经元的身份未知,在学习过程中树突棘重组的生物学原理仍然难以捉摸。


2022年7月27日,日本国家生理科学研究所的研究人员在《Science Advances》杂志上发表题为“Presynaptic supervision of cortical spine dynamics in motor learning”的文章,在该研究中,作者通过在学习过程中对运动皮层的树突棘动态变化进行成像,并对其传入突触前神经元进行事后识别,展示了在执行学习任务过程中监督不同的树突棘动态活动的两个突触前神经环路。在运动学习过程中,皮层-皮层神经元之间新出现的树突棘在短暂的接触后,会在技能习得时消除。相反,皮层中与丘脑神经元轴突之间形成的树突棘会持久保持并扩大。这些结果表明,运动皮层锥体神经元树突在运动技能学习过程中具有神经环路分工,包括自上而下的皮质内轴突的动态学习接触和丘脑轴突驱动的突触记忆形成。


该研究结果提示,双重的树突棘监督也许能够控制新皮质的多种技能学习

双重的树突棘监督也许能够控制新皮质的多种技能学习


Neuron:迷走神经刺激依赖胆碱能信号强化来驱动运动学习环路的调制


迷走神经刺激(Vagus Nerve Stimulation, VNS)是是一种神经调节疗法,在临床上可用于癫痫、抑郁和神经损伤的治疗以及运动功能的康复。然而,VNS影响中枢神经系统环路的机制尚未明确,极大的限制了治疗的优化。VNS能够导致广泛的大脑激活,但其对行为的影响是非常具体的,这表明VNS对行为参与的神经环路具有独特的可塑性。


2022年7月19日,美国科罗拉多大学医学院的研究人员在《Neuron》杂志上发表题为“Vagus nerve stimulation drives selective circuit modulation through cholinergic reinforcement”的文章。在该研究中,为了了解VNS如何导致特定的环路调节,作者利用了光遗传学和在体钙成像等手段。在小鼠运动技能学习任务中,VNS通过胆碱能强化机制来增强动物运动学习的熟练程度并快速巩固习得的技能。在初级运动皮层中,VNS能够驱动对行为结果作出反应的神经元产生精确的时间调制。


这表明,VNS可能通过胆碱能信号来加速M1的运动细化,该研究为优化VNS靶向特定疾病相关环路开辟了新途径

VNS可能通过胆碱能信号来加速M1的运动细化


Cell Reports:纹状体胆碱能中间神经元可作为帕金森病潜在的治疗靶点


纹状体胆碱能中间神经元(Striatal Cholinergic Interneurons, CINs)在活动短暂停顿后对显著或奖励预测相关的刺激做出反应,涉及到学习和行动选择。这种停顿在帕金森病的动物模型中消失,该信号如何调节纹状体网络仍然是一个开放的问题。


2022年7月5日,法国艾克斯马赛大学的研究人员在《Cell Reports》杂志上发表题为“Cholinergic interneuron inhibition potentiates corticostriatal transmission in direct medium spiny neurons and rescues motor learning in parkinsonism”的文章。在该研究中,作者研究了CINs放电抑制对皮层和表达多巴胺D1受体的中等多棘神经元(Medium Spiny Neurons, MSNs)之间谷氨酸传递的影响。CINs活动的短暂停顿能够增加帕金森状态下D1 MSNs的皮质纹状体传递。这种增强依赖于M4毒蕈碱受体和蛋白激酶A。通过光遗传学/化学遗传学减少体内CINs的激活可以部分地拯救帕金森小鼠MSNs的长时程增强和运动学习缺陷。


该研究结果表明,CINs对皮层-纹状体传导和纹状体依赖的运动技能学习的控制依赖于多巴胺能输入的完整性。这些发现使得CINs成为帕金森病潜在的治疗靶点

CINs对皮层-纹状体传导和纹状体依赖的运动技能学习的控制依赖于多巴胺能输入的完整性


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