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学习过程中神经回路的重组依赖于大脑中兴奋性和抑制性信号之间复杂的相互作用，以及高度特异性的突触修饰。在单个细胞和整个回路的范围内观察到了促成这种相互作用的各种突触变化。抑制性中间神经元的遗传防御亚群被认为在学习过程中发挥着不同的作用，但这些亚群内的异质性限制了对其特异性贡献的范围和性质的理解。
基于此，2023年7月20日约翰霍普金斯大学医学院神经科学系Hyung-Bae Kwon研究团队在Nature neuroscience发表 “An adaptive behavioral control motif mediated by cortical axo-axonic inhibition”。揭示了一种由皮层轴突抑制介导的适应性行为控制基序。
在这里，作者揭示了吊灯细胞（ChC），一种抑制锥体神经元轴突初始段的中间神经元类型，通过选择性的轴突突触可塑性建立皮层微环路来组织神经编码。发现有组织的运动控制是由方向调节的运动前神经元的增强种群编码介导的，并通过抑制不相关的神经元活动来进行调节。ChCs通过提供对单个锥体神经元的选择性抑制控制，而不是全局抑制来促进学习依赖的更新。对轴突-轴突突触结构可塑性的定量分析表明，ChCs在学习过程中将抑制权重重新分配给单个锥体神经元。这些结果表明了一种自适应逻辑的抑制环路主题负责组织分布式神经表征。
图一 改进的运动的方向性控制
先前的研究表明，ChCs在运动过程中增加了活动。运动前皮层参与门控感觉输入和运动输出，用于运动规划、精细动作控制和决策。为了研究ChCs在运动过程中控制M2神经元活动中的作用，作者使用了一个需要目标定向运动控制的空间导航任务。小鼠被训练穿过一个具有四种独特的触觉表面线索的多纹理的球迷宫，并到达球上的一个目标点，在那里给予奖励。当动物在球迷宫中导航时，记录了L2/3前运动种群的神经元活动，有限制水的小鼠在球迷宫中表现出奖赏寻求行为，并通过学习产生了目标导向的运动，而自由限制水的小鼠没有。通过分析运动控制参数，进一步探讨了运动控制与奖赏寻求行为表现之间的关系。动物对奖励的整体潜伏期随着训练的增加而减少，表明动物在获得奖励方面的运动效果增强。小鼠随着学习而越来越接近目标。随着训练的增加，运动精度随着目标目标运动的比例的增加而增加，表明增强的运动方向控制了目标点。这些结果表明，学习的方向控制运动的能力得到了改善。
图二 运动学习通过抑制无关活动
接下来，作者测试了单个运动前神经元对训练的方向选择性变化，不同的神经元群体对不同的MDs有反应。运动前神经元诱发帕金森病的可能性最高，运动前神经元对MD的调节在整个过程中变得更加精确，实验组中所有MDs的群体反应精度均有所提高。接下来，作者估计了细胞被活跃的概率，当MD远离细胞的PD时，其活跃的概率随着学习能力的增加而降低。作者进一步测量了活动神经元的PD和MD之间的角度误差，以观察定向神经元活动是如何与MD准确对齐的。与解码错误的变化相似，实验小鼠在第7阶段中PD的比例增加，抗PD的比例减少，而在对照组小鼠中抗PD的比例增加，表明无关活动的比例随着学习而减少。为了测试运动学习是否介导了网络连接的方向依赖性变化，比较了完全相反的PD神经元对之间的成对相关性。这些结果表明，观察到的错误调谐响应的减少塑造了M2种群的方向编码。
图三 PV-INs的操纵改变了整体的神经活动
为了确定神经元集合如何在学习过程中抑制不相关的活动，作者探究了中间神经元可能是如何独特地参与其中的。一些GABA能神经元间亚型在调节皮质功能中发挥特定的作用。测试了两个主要的中间神经元组的调节作用，它们已知在兴奋性PyNs的特定隔间形成抑制性突触，占所有皮质中间神经元的70%。具体来说，PV中间神经元抑制周围区域，而SOM中间神经元以远端树突为靶点。通过在M2中表达抑制性视蛋白，在行为过程中双侧沉默PV-INs或SOM-INs的活性。作者发现，运动前PV-INs的失活破坏了目标定向的运动表现，而SOM-INs的失活则没有，这表明PV-INs介导的周围抑制可能参与了指导与任务相关的运动定向控制的环路基序。PV-INs的周围抑制主要神经元群提供了强大的抑制控制，以上结果表明，PV-IN周围抑制参与了任务相关的运动控制，但这种操纵也导致了全局兴奋性变化，限制了目前在指定定向运动控制机制方面的适用性。
图四 在ChC操作中保留了稀疏的、顺序的活动
为了探究ChC操纵是否影响了整体网络的兴奋性，作者通过病毒注射消除了对邻近神经元AISs的突触前抑制性GABA能输入，并监测了M2神经元的活性。与PV-TeTxLC小鼠的超同步神经元活动相比，没有观察到整体的变化。相反，在ChC-TeTxLC和对照组小鼠的运动过程中都观察到了稀疏的、连续的活动变化。与PV-INs相比，大多数ChCs在运动过程中表现出活动增加，而不是运动起始阶段，而ChC-TeTxLC操作并没有引起PV-TeTxLC小鼠运动开始时M2神经元的过度活动。这些结果表明，ChCs具有与PV-INs完全不同的活性谱，并且整体网络的兴奋性不会通过沉默ChCs的活性而发生全局改变。
图五 抑制ChCs破坏了方向选择性
作者测试了ChC抑制是否会影响行为任务中M2神经元的方向调整。全细胞电生理记录显示，雷酸盐的应用降低了抑制ChCs的活性。训练7d后， ChC抑制小鼠中给予CNO显著损害了目标定向导航性能和转弯运动。单独注射CNO或生理盐水对行为表现没有影响。在运动过程中，雷酸盐给药后ChC活性被抑制。因此，观察到M2神经元的协同活性在运动时应用雷酸盐时增加，而在休息时没有增加。这与最近体内ChCs对M2神经元的研究一致。比较了神经调节曲线的MD的函数分布。观察到与生理盐水条件下相比，雷酸盐条件下的神经元在非PD条件下更容易活跃，这导致种群对MD的反应不那么精确。雷酸盐给药后，细胞在一定MD下活跃的概率增加。当MD与细胞的PD相反，雷酸盐给药后细胞活跃的概率高于第7次或生理盐水条件下。雷酸盐应用增加了神经元对之间的成对相关性，而不是学习中增强的神经对之间的去相关性。以上结果表明，ChC活动的抑制增加了与行为无关的神经活动，损害了运动的精确编码。
图六 ChC活动的变异性在学习过程中增加
为了检测ChCs在学习过程中的活动动态，作者在L2/3 ChCs中记录了小鼠执行行为任务时ChC的活性。ChCs在运动过程中表现出增加的活动，在会话1中活动模式更同步。在第7阶段，活动模式变得更加多样化不同步，导致了ChCs亚簇的形成。为了量化这种变化，计算了行为任务中ChCs之间的两两相关性，发现随着学习的进展，相关性降低，ChCs形成了亚簇。接下来，作者研究了ChCs和M2神经元之间的时间关系如何随着学习而变化。ChCs与邻近的M2神经元之间存在不同的活动时间关系。计算了ChCs和M2神经元的细胞间活动相关性，并比较了它们的相关系数分布。与休息相比，运动时高相关系数的比例降低，反映了去相关性的增加。在第7阶段，与休息相比，运动时正相关系数和负相关系数的总体比例显著降低，表明ChC和M2神经元的去相关性增强。以上结果表明，随着学习的增加，ChC活动变得更加异质，ChC与邻近M2神经元之间的这种去相关的时间关系意味着种群活动控制的特异性增加。
图七 ChC抑制的消除损害了方向编码和运动学习的细化
作者探究了ChC介导的抑制的消除是否会影响方向编码和学习能力的细化。通过在ChC-Flp小鼠中表达TeTxLC来消除突触前ChC GABA的释放，并在M2神经元中进行双光子钙成像。ChC-TeTxLC小鼠在学习任务方面存在缺陷，这表明轴突-轴突抑制在学习目标导向的运动控制中具有必要的作用。鉴于PV-INs和ChCs37数量的巨大差异，抑制相同数量的PV-INs可能与选择性抑制ChCs具有相似的效果。为了测试这种可能性，取消了抑制部分PV-INs的突触前GABA释放，这大约对应于运动前网络中ChCs的百分比。为了确定ChCs在抑制无关活动中的具体作用，作者分析了作为学习功能的神经调节到MD的概率分布。与学习过程中对非PD的活动反应下降相比，ChC-TeTxLC小鼠在训练过程中并没有表现出非PD活动的可能性降低。这些结果共同表明，ChC在细化分布式神经代码以进行主动运动控制方面发挥了必要的作用。
图八 异质性的轴突-轴突突触可塑性是有组织的运动控制的基础
成像数据提出了ChC抑制性突触强度可能不会通过学习而均匀地改变的可能性。作者开发了一种自动检测算法，系统分析了实验组和对照组的大量抑制性突触前和突触后ChC-AIS结构、ChC轴突。在对照组和实验小鼠中，SSE前后的分布均表现出内在的异质性，表明ChCs和M2神经元之间的连接抑制权重不均匀。前边缘皮层的一个ChCs子集选择性地控制位于较浅的PyNs，使其特异性地投射到杏仁核基底外侧。作者检测了轴突-轴突突触之间的异质性是否取决于AIS位置的皮质深度。对照组小鼠和实验小鼠L2/3中AISs位置的整体突触强度没有差异。然而，发现实验组中SSE分布的高部分和低部分增加了，这表明ChC-PyN与学习联系的异质性增加并不仅仅是基于AIS位置的皮质深度。这些数据表明，ChCs在学习过程中不地调节对每个轴突突触的抑制程度。
该研究中作者揭示了ChCs在皮层编码的经验依赖性可塑性中的特殊抑制作用，有助于灵活和行为习得。研究结果表明，这种异质性可能已经进化是为了满足特定的功能需求，阐明对所有细胞类型的神经表征和信号传递的大量抑制效应，对于理解认知功能如何被内部和外部控制，从而产生有意义的行为至关重要。每种抑制性细胞类型的精确平衡和靶标特异性的抑制性突触可塑性被认为有助于分布式记忆的形成和检索，为学习提供了基本的神经回路结构。抑制性细胞类型的异质性及其不同的受体和神经支配模式，利用皮层中复杂和多功能的神经编码来产生复杂和灵活的行为。该研究有助于探究其他单细胞类型特异性的可塑性规则及其对网络活动和行为的影响。
https://www.nature.com/articles/s41593-023-01380-x
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