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研究揭示了基底神经节在控制习得运动技能中的作用

大多数调查运动技能的神经科学研究都是在啮齿动物身上进行的。在这些实验中,啮齿类动物通常会在简单的运动任务上进行测试,它们可以使用其曲目中的运动行为或这些行为的略微适应版本轻松完成这些任务。

与这些研究相反,人类的运动技能学习可能是一个漫长的过程,会导致高度复杂和针对特定任务的运动。为了可靠而直接地探索这些技能,一些研究人员一直在尝试设计训练老鼠的方法,使其也能执行更复杂的行为。

几年前,哈佛大学的研究人员开发了一项任务,可以训练老鼠在几周的练习中执行复杂的和特定任务的运动模式。就像在人类中观察到的复杂运动模式一样,他们训练老鼠执行的行为随着时间的推移是高度刻板的、独特的和稳定的。随后,研究人员进行了一项研究,旨在确定参与控制啮齿动物获得的新复杂运动技能的大脑区域。

“令我们惊讶的是,我们发现运动皮层没有参与这些学习模式的产生,”该研究的首席研究员 Bence P. Ölveczky 教授告诉Medical Xpress。“但如果不是运动皮层,大脑的哪个部分正在学习产生我们训练的技能?我们的注意力转向了基底神经节。”

他们最近发表在《自然神经科学》上的研究表明,基底神经节(大脑中的一组皮层下核)确实通过与低级运动回路的相互作用来指定和控制所学运动技能的细粒度细节。

众所周知,基底神经节是一个可塑性网络,这意味着它可以随着时间的推移而适应,并学会将有关世界状态的输入与在特定状态下有回报的行为联系起来。这种可塑性被认为是基底神经节在特定情况下选择最有价值的行动的基础。

Ölveczky 说:“我们问自己,这个关联网络是否也可以学习产生在毫秒时间尺度上塑造运动的信号。” “换句话说,基底神经节的动作选择概念是否可以扩展到包含对熟练动作的细粒度控制——以前归因于运动皮层和(在较小程度上)脑干运动中心的功能?我们开始测试这个。”

为了验证他们的假设,Ölveczky 和他的同事测量了已知与运动相关的基底神经节区域中单个神经元群的活动,该区域在啮齿动物中被称为背外侧纹状体 (DLS)。他们收集了对获得运动技能的动物的测量结果,并将他们检测到的神经活动与所获得技能的不同方面联系起来,他们使用视频跟踪技术仔细识别了这些。

“我们发现我们可以根据 DLS 中神经元的放电来预测给定试验的详细运动学,但不能在相邻的纹状体区域 (DMS) 中预测,”Ölveczky 说。“这意味着 DLS 中的神经元编码有关行为的信息,因此可以用于指定运动。”

为了确认 DLS 神经元的活动是否有助于啮齿动物的熟练运动,研究人员在接受过新的复杂运动技能强化训练的受试者中损伤了纹状体的 DLS 区域。有趣的是,他们发现当该区域受损时,动物会恢复到它们在训练早期进行的简单动作。

尽管受过训练的啮齿动物并没有完全忘记他们接受过的训练任务,但它们似乎不再能够回忆和执行在训练中获得的复杂运动模式。由于 DLS 区域的损伤导致啮齿动物在最初接受训练的任务中的表现下降,因此该区域可能在控制习得的运动行为方面发挥关键作用。

“我们的工作扩展了我们对基底神经节功能的理解,将这些重要的中脑结构与产生熟练动作的细粒度结构有关,”Ölveczky 解释说。“这增加了一种可能性,即与 BG 障碍相关的一些运动缺陷不是由于无法在下游控制回路中选择适当的动作,而是由于首先产生它们。”

这组研究人员最近的研究可能对神经科学领域产生重要影响。事实上,他们的研究结果表明,基底神经节可能不会像以前的工作那样简单地影响动作的选择或活力,而是在产生身体运动的细节方面发挥着积极的作用。

到目前为止,Ölveczky 和他的同事们主要集中研究运动皮层和基底神经节的运动技能。然而,在他们未来的研究中,他们希望扩大他们的工作范围,并检查可能参与控制运动技能的其他大脑区域。

基底神经节发送投射到脑干中的控制回路,并接收来自丘脑和皮层的输入,丘脑和皮层又接收来自脑干、小脑和其他结构的输入,”Ölveczky 说。“虽然我们已经将基底神经节确定为一个重要节点在产生熟练动作的网络中,我们的长期目标是建立一种理解,也包括这些其他大脑结构,并可以解释哺乳动物大脑中分布式运动回路学习和产生熟练动作的逻辑。”

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