《自然》：舌头运动的神经机制 灵活上下相关感觉运动序列

顾汉现

“舔”出来的《自然》：许多博士等人揭示舌头运动的神经机制

灵活和上下相关的感觉运动序列的皮层处理

学术经纬

2022/03/16

论文
论文标题：Cortical processing of flexible and context-dependent sensorimotor sequences
作者：Xu, Duo, Dong, Mingyuan, Chen, Yuxi, Delgado, Angel M., Hughes, Natasha C., Zhang, Linghua, O’Connor, Daniel H.
期刊：Nature
发表时间：2022/03/09
数字识别码：10.1038/s41586-022-04478-7
摘要：The brain generates complex sequences of movements that can be flexibly configured based on behavioural context or real-time sensory feedback1, but how this occurs is not fully understood. Here we developed a ‘sequence licking’ task in which mice directed their tongue to a target that moved through a series of locations. Mice could rapidly branch the sequence online based on tactile feedback. Closed-loop optogenetics and electrophysiology revealed that the tongue and jaw regions of the primary somatosensory (S1TJ) and motor (M1TJ) cortices2 encoded and controlled tongue kinematics at the level of individual licks. By contrast, the tongue ‘premotor’ (anterolateral motor) cortex3,4,5,6,7,8,9,10 encoded latent variables including intended lick angle, sequence identity and progress towards the reward that marked successful sequence execution. Movement-nonspecific sequence branching signals occurred in the anterolateral motor cortex and M1TJ. Our results reveal a set of key cortical areas for flexible and context-informed sequence generation.

所属学科：
神经科学
药明康德内容团队编辑  

无论是随口说出一句话，还是帮助我们品尝、咀嚼食物，在各种场景中，舌头的运动都展现出了令人瞠目的灵活性与协调性，对于我们探索万物、交流甚至生存都至关重要。而在这些行为背后，自然少不了神经环路的控制。

遗憾的是，对于控制舌头（口部）复杂运动序列的机制，目前科学界的认识还很有限。在这个问题上，实验室的常客小鼠也缺少发言权。小鼠无法直接告诉我们自身的想法，科学家也没有建立起体现小鼠复杂运动序列特征的行为范式。

现在，一项发表于《自然》杂志的最新研究改变了这一局面。约翰·霍普金斯大学医学院的Daniel H. O’Connor教授团队解析了控制小鼠口部序列运动的关键脑区，揭示了不同区域神经元对具象与抽象序列信息的处理方式，为基于小鼠的更多研究奠定了基础。

论文第一作者，现为加州大学旧金山分校博士后的许多博士表示：“这项发现大大提升了未来人们在小鼠身上进行研究的可能性，并进一步回答了小鼠层级整合的环路与计算机制。”

参与这项研究的小鼠，事先在研究团队的训练下能够用舌头快速完成一系列特定动作。在黑暗中，研究团队训练小鼠依次舔向面前不同的位置，舔到目标后得到触觉的反馈，迅速转向下一个目标。训练中，小鼠可以在1秒内舔过7个给定位置。而这些连续的动作，将构成了一组口部运动序列。

由于此前并不清楚是哪些脑区参与控制小鼠的口部序列运动，因此研究首先要做的就是找到相应的脑区。光遗传学手段可以精确操控特定脑区的活动，利用这项技术，研究团队依次抑制了小鼠不同脑区的活动，随后观察小鼠在舔时的行为表现。

结果显示，抑制额叶的前侧运动皮层（ALM；包含一部分舌颚初级运动皮层，即M1TJ）时，小鼠将无法开启上述序列行为，或者舌头的运动能力下降；而在抑制了小鼠的舌颚初级感觉皮层（S1TJ）之后，小鼠运动的序列会被打乱，但运动能力未遭受影响。

因此，借助光遗传技术，研究明确了参与控制这一序列运动的脑区：ALM、S1TJ和M1TJ。这些脑区各自在该过程中起到了什么作用？接下来的单细胞分辨率电生理记录给出了答案。

▲光遗传手段分别抑制了小鼠的不同脑区（图片来源：参考资料[1]）

在这三个脑区中，S1TJ和M1TJ神经集群编码的更多是舌头本身的实时运动信息，例如此时此刻舌头伸出的长度和角度等信息；相比之下，ALM编码的信息更加抽象、有着更高的层级，例如任务的目标方位、正在完成哪个序列、离序列终点的奖励还有多远。正是这些信息将舌头的单次动作组织起来，形成序列。随后的研究表明，小鼠能跨越单个动作、子序列、总序列这3个层级，实现信息的整合。

为了检验学会的序列是否一成不变、能否根据外界条件的变化进行调整，研究团队开展了下一项实验。他们在实验中途改变了预期的序列，结果小鼠很快自主发现了变化，并通过两种不同的方式予以应对。

当外界条件发生变化时，大脑需要一枚“信号弹”，告诉自己原先的序列该重新调整了。许多博士说：“我们在ALM神经元集群检测到的这个信号不编码具体动作，而是抽象地表达了中止某个当前动作序列进而转向某个新序列的需求。它对大脑如何监测偏差、归纳错误、并调动序列分支的原理有很大启发。”

参考资料：
[1] Xu, D., Dong, M., Chen, Y. et al. Cortical processing of flexible and context-dependent sensorimotor sequences. Nature (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-04478-7

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文章标签
复杂运动序列特征
行为范式
神经元
具象与抽象序列信息
前侧运动皮层
舌颚初级感觉皮层

https://www.nature.com/articles/s41586-022-04478-7

https://www.linkresearcher.com/t ... 0-a53f-ca4288e2f508



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