Cell | 美國科學院院士駱立群再取新突破,揭示皮質和小腦是作為一個聯合動力系統

2021-01-20 iNature

在整個哺乳動物新皮層中，第5層椎體細胞（L5）通過腦橋投射到大量小腦顆粒細胞（GrCs），形成基本途徑。然而，關於皮層動力學傳播到GrC層或者皮質 - 小腦通信的特性如何隨著學習而發展，鮮為人知。

2019年3月28日，史丹福大學駱立群，Schnitzer及Wagner共同通訊在Cell 在線發表題為「Shared Cortex-Cerebellum Dynamics in the Execution and Learning of a Motor Task」的研究論文，該研究通過使用雙位點雙光子Ca2 +成像在前肢運動任務期間，發現L5和GrC動力學高度相似。 L5細胞和GrCs共享一組任務編碼活動模式，具有相似的響應多樣性，並且表現出與L5細胞之間的局部相關性的高相關性。

慢性成像顯示這些動力學在皮質和小腦中共同出現在學習上：隨著行為表現的改善，最初不同的L5細胞和GrCs融合到共享的，低維度，任務編碼的一組神經活動模式上。因此，皮質 - 小腦通信的關鍵功能是在學習過程中出現的共享動態的傳播。總體而言，該研究結果表明，研究皮質和小腦作為一個聯合動力系統，以充分了解每個對行為學習和表現的貢獻是至關重要的。



哺乳動物的大腦進化在小腦中的總神經元與新皮質中的總神經元保持了非常保守的~4：1比例，這兩種結構在人腦中含有~99％的神經元。小腦和新皮質也密集相關：大多數新皮質區域向腦橋核發送第5層（L5）突出物，通過顆粒細胞（GrCs）為小腦提供最大輸入。然而，關於皮層動力學傳播到GrC層或者皮質 - 小腦通信的特性如何隨著學習而發展，鮮為人知。


雙光子Ca2 +成像


GrC的解剖結構非常獨特：每個GrC只接受四個輸入，稱為Mossy纖維，在發育期間固定，可以通過腦橋核以及腦幹和脊髓來源於新皮質。此外，不同的GrC不太可能共享同一組四個輸入。因此，源自L5的任何個體信號可能與給定GrC中的三種其他不同的Mossy纖維重組，並且大量的GrC（大腦中超過一半的所有神經元）可以允許許多不同的輸入重組。這種基本的，保守的解剖學特徵被認為允許GrC層產生與皮質高度不同的輸出。


L5和GrC動力學高度相似


儘管有這些解剖學線索，研究尚未詳細闡述L5-GrC傳播的功能特性及其隨學習的演變。這源於一些技術障礙。首先，記錄顆粒細胞具有挑戰性，因為它們體積小，包裝密度高，最近才通過雙光子Ca2 +成像實現動物顆粒細胞集合的記錄；其次，尚未從L5細胞和GrCs獲得同時的單細胞解析度記錄。因此，之前對皮質 - 小腦相互作用的研究未發現L5-GrC信號傳遞及其在學習過程中的演變。


腦橋輸入對GrC表示的貢獻以及與L5的相關性


該研究通過使用雙位點雙光子Ca2 +成像在前肢運動任務期間，發現L5和GrC動力學高度相似。 L5細胞和GrCs共享一組共同的任務編碼活動模式，具有相似的響應多樣性，並且表現出與L5細胞之間的局部相關性相當的高相關性。


文章總結


慢性成像顯示這些動力學在皮質和小腦中共同出現在學習上：隨著行為表現的改善，最初不同的L5細胞和GrCs融合到共享的，低維度，任務編碼的一組神經活動模式上。因此，皮質 - 小腦通信的關鍵功能是在學習過程中出現的共享動態的傳播。總體而言，該研究結果表明，研究皮質和小腦作為一個聯合動力系統，以充分了解每個對行為學習和表現的貢獻是至關重要的。


原文連結：

https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(19)30168-0#





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