Nat Neurosci︱突破！皮质脊髓神经元向脊髓及纹状体环路传播复杂的运动信号

撰文︱韩徐琳子

责编︱王思珍

许多运动控制模型强调感觉运动皮层在运动中的作用，主要是通过皮质脊髓神经元（corticospinal neurons，CSNs）向脊髓的投射。CSNs向脊髓的投射是符合拓扑学分布的，即在控制身体特定部位的区域内的CSNs优先支配包含控制这些身体部位肌肉的回路的脊髓节段[1]。然而CSNs通常表现出与肌肉输出并不密切对应的复杂的活动模式，这提示在运动中的作用可能是微妙的和任务依赖的。因此这种CSNs复杂活动导致了一种学术假设，即CSNs通过包括运动抑制、脊髓回路可塑性、参照抑制、状态依赖性获得控制等多种机制对脊髓进行控制，更重要的是，CSNs存在多个轴突侧枝（axon collaterals），这些侧枝在脑中广泛投射，几乎对各级水平的控制运动核团均产生影响[2-4]。然而CSNs轴突侧枝的解剖结构及其功能尚不清楚。 此外，由于大部分CSNs群体难以捕获、描绘（mapping）与监测，从而导致了皮质脊髓输出的解剖和电生理特性的不确定性，特别是在复杂的技能行为中。

2021年11月4日，来自美国哥伦比亚大学Zuckerman Mind Brain Behavior研究所的Rui M. Costa课题组在Nature Neuroscience上发表了题为“Corticospinal populations broadcast complex motor signals to coordinated spinal and striatal circuits”的最新研究论文。通过解剖学及电生理等方法证明了背外侧纹状体是CSNs轴突侧支神经支配的主要靶点且对D1、D2神经元的支配存在差异；在体钙成像记录等实验揭示了CSNs不仅编码单个运动、还编码运动序列的起始及结束，不同CSNs亚群向下游传递相似的信号，提示运动的特异性可能由突触后连接的差异介导。

在本研究中，作者旨在：1）全面描绘CSNs和CSNs全脑轴突侧枝的结构组织；2）揭示调节脊髓和上脊髓连接的突触和回路原理；3）通过确定细胞类型特异性的上脊髓靶点，从而概括CSNs相关行为学活动的特征。

首先，为了定量分析CSNs在全脑的侧枝，作者对小鼠脊髓和感觉运动皮层部位注射AAV病毒进行荧光标记，发现CSN轴突广泛分布于前脑、中脑和后脑区域，其中一些区域本身与运动控制有关，包括调节熟练的前肢动作的脑干核，特别地，背外侧纹状体（dorsolateral striatum, DLS）是CSNs最主要的投射下游（图1）。紧接着，通过狂犬病毒逆向全脑示踪发现，CNS_DLS的上游核团主要为同侧皮层及丘脑（图2）。通过又分别对颈脊髓及对侧DLS注射AAV病毒进行荧光标记，作者证明了几乎所有同时投射到颈脊髓和DLS的皮层神经元都位于感觉运动皮层（图3）。

图1 CSNs侧枝的全脑示踪

（图源：Nelson, Anders et al., Nature neuroscience. 2021）

图2 CSN_DLS上游核团的全脑示踪

（图源：Nelson, Anders et al., Nature neuroscience. 2021）

图3 CSNs似乎是仅有的同时投射到颈脊髓和DLS的神经元

（图源：Nelson, Anders et al., Nature neuroscience. 2021）

CSNs轴突侧枝是如何影响大脑的呢？有研究表明，DLS CSNs与多巴胺受体刺状投射神经元（简称D1、D2神经元）形成突触连接，皮层脑桥神经元引起更强的D1神经元电流[5]。在此，作者采用光遗传联合膜片钳技术，发现（小鼠颈脊髓注射AAV病毒后）光激活CSNs可驱动D1神经元产生比D2神经元更强的兴奋性突触后电流反应（图4）。作者推测这可能是由于CSNs与D1神经元之间的突触连接数目更多，也有可能是CSNs与D1神经元之间的突触形态更大。为了探究两种可能性，作者通过使用二价阳离子锶阻断突触前膜神经递质释放后，发现光刺激后在D1、D2神经元产生的单个微小兴奋性突触后电流没有差别（图4），提示CSNs与两者形成大小相似的突触连接。因此作者认为CSNs与D1神经元形成比D2神经元更多的突触连接。总之，这些电生理实验揭示了CSNs突触和回路的基础，CSNs与基底神经节的两个不同途径（D1、D2神经元）相互作用。  

图4 CSN_DLS与纹状体中不同神经元形成有差异的突触连接

（图源：Nelson, Anders et al., Nature neuroscience. 2021）

基于上述结论，作者假设，与D1、D2神经元形成突触连接的CSNs可能是相同的一类细胞群，也可能是存在部分差异的两类细胞群。如果是后者，那么支配D1和D2神经元的CSNs可能投射到脊髓的不同亚域，并与不同的中间神经元形成突触连接。为了验证这种可能性，作者再次采用狂犬病毒逆向示踪对投射到D1或D2神经元的CSNs进行不同荧光标记。结果发现，CSN_D1神经元主要投射到脊髓吻侧区域，参与感觉反馈的神经环路，而CSN_D2神经元主要投射到脊髓腹侧区域，与运动前中间神经元形成环路连接（图5）。因此，CSN_D1神经元与CSN_D2神经元是有差异的两类细胞群，具有不同的脊髓投射模式。那么，这两者支配的下游中间神经元是否相同呢？作者使用双转基因小鼠与狂犬病毒逆向示踪发现，谷氨酸脱羧酶2（GAD2）阳性中间神经元接受更多来自CSN_D2神经元的投射，而钙结合蛋白28k（CB）阳性中间神经元接受更多来自CSN_D1神经元的投射（图6）。以上结果表明，CSNs与脊髓及纹状体中不同类型神经元之间存在特定的突触连接（模式）。

图5 CSN_D1神经元与CSN_D2神经元在脊髓的投射分布

（图源：Nelson, Anders et al., Nature neuroscience. 2021）

图6 CSN_D1神经元与CSN_D2神经元投射到脊髓不同类型中间神经元

（图源：Nelson, Anders et al., Nature neuroscience. 2021）

CSNs解剖学的复杂性也预示着其功能的复杂性[6, 7]。那么，从CSNs到纹状体的输入（投射）是否在序列执行过程中显示出类似的编码特性？或者这些纹状体活动模式是否会在下游皮层中出现？为此，作者对头部被固定的小鼠进行右前肢压杆的行为学范式训练，连续4次规范压杆可获得一次给水奖励，同时进行上肢肌电信号记录及皮层CSNs双光子钙成像。作者发现，CSNs对小鼠前肢运动，即序列执行行为存在4种类型的响应，分别为对序列执行开始、结束、持续、抑制有响应，此外存在对序列执行无响应的一类神经元；同时结合肌电信号分析发现，对运动持续响应的CSNs活动与肌电信号更相关（图7）。这些结果说明在技能性运动序列（skilled motor sequences）中，肌肉输出活动并不是CSNs神经元活性的唯一决定因素。

图7 CSNs对贯序运动的响应特征

（图源：Nelson, Anders et al., Nature neuroscience. 2021）

以上结果说明，CSNs能像纹状体一样对贯序运动产生相似的反应。虽然D1、D2神经元在高阶运动的“开始”及“结束”都表现为相似的活性，但D1神经元更多地响应持续性运动，而D2神经元更多地响应抑制性运动[8]。那么，是不是CSN_D1也更多地响应持续性运动，而CSN_D2神经元更多地响应抑制性运动呢？作者对D1和D2小鼠重复了上述行为学范式及钙成像记录，发现CSN_D1神经元与CSN_D2神经元对运动存在相似的响应模式（图8）。这说明在运动序列行为中，CSNs编码的复杂信息通过一种平衡模式传递给下游的D1、D2神经元，提示D1、D2神经元产生的不同运动可能是由于突触连接不同、内在连接性质不同、以及靶细胞受到不同神经递质调控所导致。

图8 CSN_D1与CSN_D2对运动存在相似的响应模式

（图源：Nelson, Anders et al., Nature neuroscience. 2021）

文章结论与讨论，启发与展望

本研究揭示了质脊髓神经元（CSNs）编码的信息与行为输出的关系多种多样，从肌肉相关活动到高阶序列相关信息；并进而阐明了脊髓和基底节在突触及环路水平的神经元信号的传递规律。有研究认为，投射向脊髓的皮层神经元与投射向纹状体的神经元大部分是不重叠的两类群[6, 8]，本研究与此结论相反，这可能是由于单个CSN神经元与纹状体局限区域内的神经元形成少量突触连接。这些在既往研究中被忽视了。

本研究运用系统的研究方法（包括解剖学、病毒示踪、光遗传、膜片钳技术、在体钙成像等）首次观察到了CSNs中存在大量与肌肉收缩相关的神经元，但还存在另一大批与高阶运动（技能性序列执行行为）开始、关闭高度相关的神经元。然而不同类型的神经元响应模式在CSN_D1与CSN_D1中的比例却是相同的。这就产生了下面的问题：纹状体中D1、D2神经元又是如何表征不同的运动信息的呢？一种解释是，CSNs扮演了传播的角色，将运动信息同时传递给纹状体和脊髓，CSNs对D1、D2神经元的差异性支配、多巴胺对纹状体的调控以及纹状体内部环路的连接放大了D1、D2信号。另一种解释为，运动信息的差异被纹状体的其他上游如丘脑编码。

总之，本研究揭示了投射向D1、D2不同亚群的CSNs在脊髓不同的神经支配区域及神经元类型。然而，支配不同环路的CSN神经元向下游传播相似的信号，这提示运动的不同可能由突触后机制介导。

原文链接：https://doi.org/10.1038/ s41593-021-00939-w

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参考文献（上下滑动查看）  

[1] Wang, X. et al. Deconstruction of corticospinal circuits for goal-directed motor skills. Cell 171, 440–455 (2017)

[2] Hooks, B. M. et al. Topographic precision in sensory and motor corticostriatal projections varies across cell type and cortical area. Nat. Commun. 9, 3549 (2018).

[3] Kita, T. & Kita, H. The subthalamic nucleus is one of multiple innervation sites for long-range corticofugal axons: a single-axon tracing study in the rat. J. Neurosci. 32, 5990–5999 (2012)

[4] Ramón y Cajal, S. Histologie du système nerveux de l’homme & des vertébrés. Ed. française rev. & mise à jour par l’auteur, tr. de l’espagnol par L. Azoulay Vol. 1 (Maloine, 1909)

[5] Kress, G. J. et al. Convergent cortical innervation of striatal projection neurons. Nat. Neurosci. 16, 665–667 (2013). 

[6] Jin, X., Tecuapetla, F. & Costa, R. M. Basal ganglia subcircuits distinctively encode the parsing and concatenation of action sequences. Nat. Neurosci. 17, 423–430 (2014).

[7] Jin, X. & Costa, R. M. Start/stop signals emerge in nigrostriatal circuits during sequence learning. Nature 466, 457–462 (2010). 

[8] Jin, X., Tecuapetla, F. & Costa, R. M. Basal ganglia subcircuits distinctively encode the parsing and concatenation of action sequences. Nat. Neurosci. 17, 423–430 (2014).

[9] Gertler, T. S., Chan, C. S. & Surmeier, D. J. Dichotomous anatomical properties of adult striatal medium spiny neurons. J. Neurosci. 28, 10814–10824 (2008). 

制版︱王思珍

本文完