运动皮层在目标导向行为中的神经连接基础研究

作者及机构
本研究由Arseny Finkelstein（以色列特拉维夫大学神经科学与脑疾病系、Sagol神经科学学院）、Kayvon Daie、Márton Rózsa、Ran Darshan（特拉维夫大学物理与天文学院）及Karel Svoboda（美国霍华德休斯医学研究所Janelia研究园区、艾伦神经动力学研究所）合作完成，发表于*Nature*期刊，在线发布时间为2025年10月15日。

学术背景
运动皮层（motor cortex）在协调目标导向行为中起核心作用，但其神经编码与局部网络连接的因果关系尚未完全阐明。以往研究多聚焦于感觉皮层（sensory cortex）的输入驱动活动，或训练后动物的运动皮层活动模式。本研究创新性地以未经训练的 mice 为模型，通过自然行为（多方向舔舐目标）结合全光学方法（all-optical methods），首次揭示了运动皮层在无学习干预下的神经编码特性及其多尺度柱状网络架构。

研究流程
1. 行为范式与神经活动记录
- 行为设计：小鼠在头部固定状态下舔舐空间随机呈现的水滴目标（9–25个位置），通过高速摄像头记录舌部运动轨迹（图1a-c）。
- 钙成像技术：对前外侧运动皮层（anterior lateral motor cortex, ALM）第2/3层的兴奋性神经元进行体积钙成像（volumetric calcium imaging），记录104,333个神经元的活动（15只小鼠，61次实验）。
- 数据分析：通过去卷积算法（deconvolved spike rate）量化神经活动，分析时间调谐（temporal tuning）、位置调谐（location tuning）及奖赏结果编码（图1d-h）。

1. 功能连接映射

   • 全光学因果连接技术：采用双光子光遗传学（two-photon optogenetics）刺激表层神经元，同时通过四平面体积成像记录下游神经元响应（图3a-b）。
     
   • 连接分析：在静息和行为状态下，测量超过22,000,000对兴奋性神经元的因果连接（causal connectivity），发现局部（<100 μm）同类调谐神经元间存在兴奋性连接，而远距离（100–250 μm）则以抑制为主（图3f-h）。
     

2. 网络拓扑与功能关系

   • 枢纽神经元（hub neurons）：稀疏但高度连接的枢纽神经元（占0.5%）对邻近神经元活动影响显著，但其自身对目标位置和奖赏的调谐较弱（图4b-c）。
     
   • 功能柱状结构：神经元按目标位置调谐形成微柱（microcolumns），调谐相似性随距离衰减（轴向衰减慢于横向），支持“墨西哥帽”式连接模式（图1n, 3g）。
     

主要结果
1. 神经编码特性
- 78.7%的神经元显示任务相关活动，其中22.8%对目标位置特异性响应（图1i-k）。
- 32.6%的位置调谐神经元在运动结束后仍编码目标位置（图1l），提示其对行为后果的持续表征。
- 7.7%的神经元联合编码目标位置与奖赏结果（图2c-d），其调谐幅度受奖赏调控（图2g-h）。

1. 连接模式发现
   
   • 局部同类连接：相似调谐的神经元在100 μm内更易形成兴奋性连接（图4a）。
     
   • 枢纽神经元作用：通过模型模拟证实，枢纽神经元可放大局部网络的调谐选择性（图4j-l）。
     

结论与意义
本研究揭示了运动皮层在自然行为中的多尺度网络架构：
1. 科学价值：阐明了未经学习塑造的神经编码基础，为理解运动皮层的初始功能状态提供新视角。
2. 应用价值：全光学方法的高通量连接分析为神经环路研究树立了新范式；枢纽神经元的发现为人工智能网络的节点设计提供生物启发。

研究亮点
1. 创新方法：结合体积钙成像与双光子光遗传学，实现活体大规模因果连接映射。
2. 理论突破：提出“功能柱-枢纽神经元”协同模型，解释运动皮层快速学习的网络基础。
3. 自然行为范式：通过无需训练的多方向舔舐任务，避免了学习对神经活动的干扰。

其他发现
- 奖赏调制神经元（19.5%）更倾向于在奖赏增加时激活（图2e），提示运动皮层可能通过增益调控（gain modulation）整合行为后果信息。
- 轴向与横向连接差异反映了皮层发育中放射状克隆（radial clones）的潜在影响（图3h）。