Nature Neuroscience：华大师大金鑫团队发现大脑计时的神经机制

来源：华东师范大学生命科学学院

自古以来，时间一直是人类文明中一个神秘而备受关注的话题。时间无时无刻不在控制着我们生活的方方面面。除了大家熟知的24小时昼夜节律外，人和动物还可以定期跟踪“秒和分钟”级别的时间，并相应地计划他们的行为。精确地计时无疑对生物的生存和繁殖至关重要。因此，大脑如何跟踪并记录时间的奥秘是神经科学研究领域一个重要的根本性问题，而我们对其的了解在很大程度上仍然知之甚少。特别是计时的行为学机制，以及介导计时的大脑环路和神经计算机制有待阐明。金鑫教授团队通过结合小鼠的行为分析、体内电生理学、遗传和光遗传学工具，揭示了一种全新的大脑感觉运动机制，这种机制被动物运用来准确地跟踪时间和控制行为。有趣的是，研究团队发现小鼠利用等待期间自身压杆行为产生的听觉反馈，经由高级听觉皮层处理，以准确地计时。

图1. 小鼠利用等待期间自身压杆产生的听觉反馈以准确计时
如图1所示，在最新的实验中，金鑫教授团队开发了一个新的行为范式，由动物压杆自主控制计时的开始和结束。在训练小鼠学会30秒计时后，小鼠在等待过程中会展现出自发的压杆行为，这些动作不是行为范式所要求的，也不导致任何奖赏。然而，研究团队惊奇地发现剥夺动物的听觉输入严重影响计时的准确性，而剥夺动物的视觉或触觉输入没有影响。进一步的实验发现计时所需的听觉信息来自于小鼠在等待期间自身压杆所产生的声音反馈，并且该感觉运动反馈信号由高级听觉皮层负责处理。最后，通过一系列先进的分子生物学手段，研究团队鉴定出了高级听觉皮层处理听觉反馈信号的神经元群体，并进一步展示闭环光遗传学激活该特定的神经元群体以模拟听觉反馈，可以协助听觉剥夺的小鼠恢复正常的计时功能（图2）。最后研究团队还发现，计时所需听觉信息不是纯粹的声音输入，而必须是依赖于小鼠自身动作的听觉反馈。图2. 闭环光遗传学激活高级听觉皮层恢复听觉剥夺后动物的计时功能
基于这些结果，金鑫教授团队提出了一个新的大脑计时神经模型（图3），并且提出等待过程中动物自身的感觉运动信息对计时至关重要。大脑通过监控并累积动物自身的感觉运动信息，储存在工作记忆中，并与之前学习经验形成的长时程记忆相比较，以实现准确地在线计时与行为控制。在这个新的框架下，金鑫教授团队接下来的工作将进一步解析大脑计时的其它神经环路及其计算。
图3. 文章中提出的大脑基于整合自身感觉运动信息用于计时的神经模型
这些发现对神经疾病的治疗可能也有广泛的意义。诸多神经系统疾病如帕金森病和精神分裂症，时间感知障碍有可能是极为重要、但往往被严重忽视的因素。正常人在不同精神状态或某些药物的作用下，时间感知也会改变。大家从儿童到老年，随着年纪增长，感觉时间的消逝好像在不断加速。希望未来神经科学的研究会最终告诉我们“时间都到哪去了”。
此项工作以“Secondary auditory cortex mediates a sensorimotor mechanism for action timing”为题发表在国际顶级学术期刊《自然-神经生物学》（Nature Neuroscience）上。该论文华东师范大学为通讯作者单位，金鑫教授为唯一通讯作者。
附：期刊链接：https://www.nature.com/articles/s41593-022-01025-5

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