研究揭示一个新发现的大脑回路 赋予人们运动学习能力

学习新的运动技能是我们生活中的一个重要方面，从弹钢琴到骑自行车等。但大脑是如何做到这一点的呢？2022年2月9日发表在科学杂志《科学进展》上的一项新研究揭示了一个新发现的大脑回路，它可能赋予了我们这种非凡的能力。

大脑皮层构成了我们大脑的外层，是最终的多任务“执行者”，参与了从语言和认知到记忆和自愿行动的一切。但它并不单独“行动”，而是与许多其他大脑区域建立了广泛的联系。

“我们对大脑皮层中的两种主要类型的细胞特别感兴趣，它们被称为IT（端脑内侧束）和PT（锥体束）神经元，”这项研究的第一作者 Nicolas Morgenstern说，该研究是在葡萄牙里斯本钱巴利莫德基金会的Rui Costa当时领导的小组中展开的。“T和PT细胞都将信号从大脑皮层发送到埋藏在大脑深处的另一个区域，称为纹状体。这些'皮质-纹状体’连接对运动学习非常重要，并与帕金森病等运动障碍有关联。”

这就是研究中第三个“主要人物”出现的地方：占纹状体神经元95%的棘突投射神经元（SPNs）。SPNs是由IT和PT细胞直接接触的。“我们想了解IT和PT细胞在这个对运动学习和行为非常重要的大脑回路中的不同作用。”

为了更好地了解这些皮层间的联系，作者利用了（几乎）每个神经科学家工具箱中的一种技术：光遗传学，一种用光控制细胞活动的方法。正如Morgenstern所解释的，“我们在小鼠体内对IT或PT细胞进行了基因工程，使我们能够使用光遗传学独立激活这些细胞类型，并测量它们对纹状体中SPNs的不同影响。”

利用这种方法，在记录体外神经元活动的同时，作者发现了一个新的皮质纹状体途径。在这条途径中，出现了第四个“主要角色”：纹状体胆碱能中间神经元（ChIs）。作为三人中继的“中间人”，纹状体中的ChIs接受来自PT细胞的输入，并反过来激发SPNs。Morgenstern说：“我们发现PT细胞优先连接到ChIs，从而间接激活SPNs。”

使用药理学方法，作者能够准确地显示ChIs如何激发SPNs。当被PT神经元激活时，ChIs释放一种叫做乙酰胆碱（ACh）的神经递质。神经递质是化学信使，将信号从一个细胞传递到另一个细胞。当ChIs释放ACh时，它们会使附近细胞的神经纤维兴奋SPN。

这些结果表明，SPNs被激发了两次：首先，通过已知的直接途径（IT→SPN和PT→SPN），其次，通过这个以前未知的间接回路（PT→ChI→SPN），它放大了最初的激发。这种双重激励的目的是什么？作者推测，直接的IT→SPN连接最初准备了特定的运动动作，而PT→ChI→SPN连接随后触发了运动。

Nicolas Morgenstern指出：“除了运动的执行，由PT神经元介导的这第二个兴奋阶段可能对通过神经递质ACh诱导特定连接强度的长期变化很重要。这可能对行为很重要，因为当脑细胞之间的连接发生变化时，学习就会发生。”

因此，除了对控制运动和行为的大脑回路的布线有所了解，并帮助我们理解IT和PT细胞的不同作用之外，这项研究还可能为我们提供了我们如何学习这一难题中的一个重要部分。

该研究的高级作者、哥伦比亚大学祖克曼心智脑行为研究所教授兼主任Rui Costa说：“仍有许多东西需要探索。例如，我们有兴趣了解这一电路是否在帕金森病或亨廷顿病等疾病中受到影响。”