Adv Sci：浙大李新建团队揭示小脑皮层微环路调控登山运动的新机制
报道来源：浙江大学系统神经与认知科学研究所
2022年11月15日，浙江大学医学院李新建团队联合高利霞团队、沈颖团队在Advanced Science在线发表长文“Deconstruction of vermal cerebellum in ramp locomotion in mice”。该文首次实现了在动物自由活动状态下小脑中间神经元大规模钙成像活动的记录，并解析小鼠在爬山过程中，小脑表层微环路对上、下坡运动的神经编码活动。此研究不仅为小脑相关疾病的治疗提供了新的思路，并且为小脑相关的脑机接口提供理论指导。
原文链接：
https://doi.org/10.1002/advs.202203665
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人类及动物都处于三维的自然环境中，其运动轨迹分布生活环境的各个角落。然而，大多数运动方面的研究无论是皮层还是小脑都是在平面空间中进行的，对三维空间中大脑对运动信息的编码还知之甚少。小脑可以比较外界环境的变化和自身运动信息，是实时调控运动状态及保持身体平衡的核心脑区。但是我们还缺乏在自由活动的动物对小脑神经元进行大规模成像的方法。李新建团队改进了其发明的皮层浅层细胞成像方法，使用粗管玻璃电极(尖端直径:0.3毫米)将GCaMP6压注到小脑皮层，实现了小脑浅层神经元的标记。然后采用常用于双光子成像的颅窗技术微小的荧光显微镜，实现了大规模的小脑表层神经元的在自由活动状态下的钙成像。此方法不仅可以解析小脑神经元在运动中的作用，也可以解析小脑在高级活动如语言、奖赏及计划与学习中的作用（图1）。
图1 小脑中间神经元钙成像的建立
随后，研究人员设计了一个新的行为范式，在 L型迷宫(包括一个长平臂，一个短平臂)放置一个斜坡，用于模拟徒步行走和上、下坡过程中的攀爬行为，同时对小脑中间神经元进行钙成像记录。结果表明，无论在群体水平还是单个神经元水平上，中间神经元的活动与小鼠的运动都有很强的相关性；并且大部分神经元参与编码了上、下坡的整个阶段；同时，这种编码不受动物的运动方向及空间位置的影响。最后，研究人员通过SVM模型发现动物的上、下坡的运动状态可以通过小脑中间神经元的反应进行解码。（图2）
图2 小脑蚓部特异编码动物的爬山运动，并且这种爬山运动可以被小脑中间神经元的活动解码
为了进一步验证小脑蚓部的中间神经元是否编码斜坡的角度，我们分别在小鼠进行15º、30º和45º的斜坡上爬行的过程中，记录了MLIs的活动。发现上坡神经元的比例随着坡度的增加而逐渐增加。此外，部分神经元对不同的坡度都有相似的编码，说明这些神经元可以用来区分平路与坡度。另外一些神经元的反应大小会随坡度的增加而相应的增加或减少，说明小脑部分神经元可以区分坡度的大小。这些结果表明，在斜坡运动中无论斜坡的大小，蚓状部中间神经元都是稳定编码上下坡运动, 并且这些神经元对坡度大小的编码有不同的方式(图3)。
图3 小脑中间神经元对爬山坡度特异性编码
最后作者研究小脑皮层的输出神经元浦肯野细胞对上、下坡行为的编码，发现浦肯野细胞在爬坡运动中显示出神经元活动下降。同时，发现当动物进入斜坡前，浦肯野细胞都表现出活跃的活动，但当小鼠越过斜坡的顶点时，浦肯野细胞就会停止反应。这些结果表明浦肯野细胞在斜坡运动中表现出与中间神经元相互拮抗神经元活动（图4）。
图4 浦肯野细胞对爬山运动不进行特异性编码
此外，该研究中动物行为比较复杂，手动给予动物食物和显微镜连线的干扰都给动物的运动追踪带来了困难。为了准确地定位小鼠的运动轨迹，李新建团队硕士生孙广龙结合深度学习和背景减噪的方法，开发出了一种抗噪性强、适用于多种动物及实验范式的动物运动追踪算法——DeepBhvTracking，相关成果于2021年10月发表在Frontier in Behavior Neuroscience上。
综上所述，研究团队首先巧妙地实现了自由活动状态下小脑皮层神经元大规模成像记录，并利用该方法解析了小脑蚓部皮层微环路对三维空间中爬山运动的编码。此研究为研究三维空间中的复杂运动模式提供可能，并为小脑相关疾病的治疗及小脑相关的脑机接口的设计提供新的思路。
浙江大学博士生吕辰菲为文章的第一作者，浙江大学医学院附属第二医院、系统神经与认知科学研究所李新建研究员为通讯作者，浙江大学系统神经与认知科学研究所高利霞研究员及浙江大学医学院沈颖教授为共同通讯作者。研究得到浙江大学Anna Roe Wang教授及浙江大学医学院附属第二医院吴志英教授的大力支持与指导。该研究得到科技部“科技创新-2030”、国家自然科学基金、浙江省自然科学基金以及浙江大学教育部脑与脑机融合前沿科学中心等的资助。