中科院学者研究:大脑是如何实现对未来行动的规划?

中科院学者研究:大脑是如何实现对未来行动的规划?

2021年5月11日,《Nature Communications》期刊在线发表了题为《皮层上丘环路在记忆依赖感知决策任务中的作用机制》的研究论文,该研究由中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心(神经科学研究所)、上海脑科学与类脑研究中心、神经科学国家重点实验室的徐宁龙研究组完成。该研究解析了从次级运动皮层到上丘的环路功能,揭示了它在决策相关运动规划中的关键作用及其信息处理机制。

为了在自然界中生存,生物体并不需要时时刻刻对外界环境刺激做出即时反应,反而常常需要在大脑中暂时保存接收到的刺激信息,同时规划需要做出的反应。例如猎豹在草原上捕猎时需要潜伏在草丛中,缓慢靠近猎物,直到合适的时机一跃而起,在猎物反应过来之前追上前去扑倒它。如果时机不恰当,运动准备不充分,猎物就很有可能在眼皮底下逃走。猎豹在准备发动进攻的过程中其实就在经历运动规划。在这个案例中,运动规划直接影响到动物的生存;而在其它很多适应性行为中运动规划也举足轻重。

那么大脑到底是如何实现对未来行动的规划的呢?哪些脑区和神经环路通过什么样的机制实现运动规划?之前的研究发现前外侧运动皮层(次级运动皮层的一部分)在运动规划中起重要作用。之后的一系列研究解析出了一大批和该运动皮层相互关联的其它脑区,如丘脑,基底节,小脑等均参与了运动规划。但是由于这些脑区组成网络系统十分复杂,对于网络中的任一节点施加影响,都会牵一发而动全身,影响到整个网络的动态。因此,解析这个网络中不同节点之间的相互关系,并阐明其相互作用如何影响运动规划是一个亟待解决的问题。为了回答这个问题,徐宁龙研究组的博士后段春雨和博士生潘宇昕利用感知决策行为框架,建立了一个参量化的运动规划行为范式,并综合利用环路记录和操控技术,详细研究了次级运动皮层到皮层下上丘的关键神经通路的作用机制。

在这个新建的行为范式中,小鼠需要对嘀嗒声音的速率进行分类,并通过舔左边或者右边的出水口来汇报其分类结果。重要的是,小鼠在汇报前必须等待一个声音提示,好比抢答的发令枪。在等待的延时期间,小鼠就需要对舔水反应进行运动规划。由于每个试次的延时长短以及滴答频率都不同,因此难度也会不同,这为精确研究神经环路对运动规划的贡献提供了便利(图a-c)。通过不同脑区,不同时间段的光遗传瞬时抑制,研究人员总结出次级运动皮层和上丘都在本任务中起到重要作用,且同时抑制两个脑区造成的影响大于仅仅抑制次级运动皮层,提示上丘不只是次级运动皮层命令输出的被动执行者,而是可以对上游输入的信息进一步加工,贡献规划运动的功能。为了解读次级运动皮层向上丘传递的信息,研究人员逆向标记了投往上丘的次级运动皮层的细胞,并在双光子显微镜下观察这些被标记的神经元活动。结果显示,相比于随机标记的细胞,投向上丘的这一群细胞展现出了更强的运动信息编码强度,而且此强度随着时间的推移会变强,从声音刺激,经延时,到舔水运动期间,表现出更强的对侧动作的选择性(图d-f)。这些结果支持了该环路确实携带有运动规划信息。那么这些信息是否和运动规划有因果关系呢?研究人员采用了化学遗传学的手段,通过埋置套管的方法,特异性地抑制了从次级运动皮层到上丘的环路,而保持了次级运动皮层的其它下游脑区不受抑制,发现小鼠行为正确率受到影响,且该影响的程度依赖于声音刺激的难度以及延时的长短(图g-h)。这些结果支持了次级运动皮层到上丘的环路对运动规划具有因果关系。

为了进一步探究来自运动皮层的信息如何在上丘中进行加工,研究人员比较了兴奋性细胞和抑制性细胞在任务中的活动特性。因为这两种细胞都能接受次级运动皮层的投射且强度相当,它们都可能对上游信息进行进一步的处理。通过光纤光度测定,研究人员发现,兴奋性细胞在声音及延时期间编码的选择信息较为稳定,或许有助于延时期间信息的维持,而抑制性细胞则更倾向于切换编码的特性,可能在运动规划过程的不同阶段起到不同的调节性的作用(图i-j)。综上所述,该研究系统地研究了一条从次级运动皮层到皮层下结构的环路如何影响运动规划,为人们理解运动规划背后的神经环路机制提供了新的实验证据。

该工作在徐宁龙研究员的指导下,由博士后段春雨和博士生潘宇昕合作完成,同时得到了上海交通大学张思宇研究组的大力协助,研究助理马国芬和周涛涛在实验数据的采集上提供了重要帮助,研究组其他成员积极参与讨论,并得到脑智卓越中心实验动物平台和公共技术服务中心光学成像平台的大力协助。该研究得到科技部、基金委、中科院和上海市科委的资助。

(原题为《〈自然•通讯〉发表脑智卓越中心关于运动规划的环路机制的研究成果》)