Neurosci Bull︱胡波课题组揭示投射至腹内侧丘脑的小脑深核神经元特异参与联合型感觉-运动学习行为的调控

撰文︱胡波，张洁

责编︱王思珍

传统的观点认为，小脑在维持身体平衡、协调随意运动和调节肌张力等运动控制功能中发挥重要作用。而这些运动控制功能的实现，分别依赖于小脑对初级运动皮层、脊髓神经活动的支配作用[1,2]。有意思的是，近年研究发现小脑还参与实现诸如奖赏、社会交往、摄食等非运动功能，而这被证明分别依赖于小脑对腹侧被盖、纹状体等结构神经活动的支配作用[3,4]。由此可见，小脑对下游靶区的特异支配调控可能是小脑参与多种运动或非运动功能的基础。

小脑深部核团（deep cerebellum nuclei，DCN）是小脑信号整合和输出的最终结构。已经知道，DCN神经元末梢可投射至腹外侧丘脑（ventrolateral thalamus，VL）和腹内侧丘脑（ventromedial thalamus，Vm）等区域[5]。其中，投射至VL的DCN神经元已被发现参与运动计划[1]，但对投射至Vm区DCN神经元的功能尚不完全清楚。Vm神经元可广泛支配并调控包括扣带回（cingulate cortex，Cg）在内的皮质浅层神经元的兴奋性[6]，且扣带回神经元放电活动可桥接联合型学习过程中离散的感觉和运动反应刺激[7]。基于这些证据，本文研究者假设投射至Vm的DCN神经元参与联合型感觉-运动学习行为的调控。

近日，陆军军医大学的胡波课题组在Neuroscience Bulletin上发表了题为“Ventromedial Thalamus-Projecting DCN Neurons Modulate Associative Sensorimotor Responses in Mice”的文章，揭示了特异性投射至Vm的DCN神经元（后称DCN^Vm神经元）对联合型感觉-运动学习反应的放大增强作用。陆军军医大学胡波和姚忠祥教授为本文共同通讯作者，课题组成员张洁和陈浩博士为本文共同第一作者。研究发现DCN^Vm神经元放电活动会随着小鼠联合型感觉-运动学习训练而增强，并能预示联合型学习反应的出现。光遗传激活DCN^Vm神经元放电活动显著提升联合型感觉-运动学习反应的幅度和发生率，而光遗传抑制DCN^Vm神经元活动会降低联合型感觉-运动学习反应的幅度，但对反应的发生率无显著影响。化学遗传操控DCN^Vm神经元活动对小鼠的非联合型运动协调能力无显著影响。研究结果表明DCN^Vm神经元特异参与联合型感觉-运动学习反应强度的调控。

作者首先通过顺行病毒示踪技术，研究了DCN神经元轴突末梢在小鼠腹侧丘脑的分布情况。结果显示，在前部腹侧丘脑，DCN神经元轴突末梢主要分布在VL区；而在后部腹侧丘脑，DCN神经元轴突末梢则主要分布在Vm区。利用这种分布特征，作者将AAV-retro-Syn-CRE注射在后部腹侧丘脑，再将AAV2-Ef1a-DIO-ChR2-mCherry注射在DCN，特异标记至Vm的DCN神经元（图1 A），并结合光遗传刺激和多通道记录技术，在体条件下精确鉴定DCN^Vm神经元（图1 B-D）。

图1 在体条件下鉴定DCN^Vm神经元

（图源：Jie Zhang et al., Neurosci Bull. 2022）

接下来，作者选用痕迹性眨眼条件反射（Trace Eyeblink Conditioning，tEBC）作为联合型感觉-运动学习的行为模型，研究光遗传鉴定的DCN^Vm神经元在该学习过程中的放电活动及变化。小鼠接受连续5天的条件刺激（conditioned stimulus，CS，150 ms 蓝光）和非条件刺激（unconditioned stimulus，US，100 ms 角膜吹气）配对给予训练（图2 A）。根据小鼠条件眨眼反应（conditioned eyeblink response，CR）发生率的高低，可将tEBC训练分为早期学习阶段（第1-2天）和后期学习阶段（第4-5天）（图2 B, C）。结果表明，CS可诱发DCN^Vm神经元产生放电反应，且该反应在后期学习阶段比早期阶段显著更强（图2 D-H），提示CS诱发的DCN^Vm神经元放电活动会随联合型感觉-运动学习训练而增强。

图2  CS诱发的DCN^Vm神经元放电活动随tEBC训练而增强

（图源：Jie Zhang et al., Neurosci Bull. 2022）

为了进一步量化分析CS诱发的DCN^Vm神经元放电活动与联合型感觉-运动学习反应的关系，作者比较了在CR出现和无CR出现两种状态下CS诱发的DCN^Vm神经元放电活动的差异（图3）。结果显示相较于无CR出现，CR出现状态下CS诱发的DCN^Vm神经元放电反应显著更强，提示CS诱发的DCN^Vm神经元活动能预示联合型感觉-运动学习反应的出现。

图3  CR出现和无CR出现状态下DCN^Vm神经元放电活动的比较

（图源：Jie Zhang et al., Neurosci Bull. 2022）

继而，作者进一步利用光遗传方法刺激DCN^Vm神经元，增强CS所诱发的DCN^Vm神经元放电活动，并观察其对联合型感觉-运动学习反应的影响。结果显示特异性激活DCN^Vm神经元可以增加CR的幅度和发生率（图4）。反过来，作者利用光遗传方法抑制CS诱发的DCN^Vm神经元放电活动，则会导致CR幅度的显著降低，但对CR发生率无显著影响（图5）。

图4  光遗传学激活DCN^Vm神经元增加CR幅度和发生率

（图源：Jie Zhang et al., Neurosci Bull. 2022）

图5 光遗传学抑制DCN^Vm神经元降低CR幅度

（图源：Jie Zhang et al., Neurosci Bull. 2022）

Cg神经元可桥联时间上相离散的CS和US，进而参与tEBC建立[7]。形态学研究结果表明：DCN^Vm神经元轴突末梢与投射至Cg的Vm神经元胞体具有共分布特点，提示DCN^Vm神经元可能具有影响Cg神经活动的能力。据此，作者采用光遗传学刺激结合在体多通道记录发现：DCN^Vm激活可引起显著的Cg神经元放电活动增强（图6 A-C）。特别是在进行tEBC训练时，DCN^Vm激活引起Cg神经元表现出显著更强的CS诱发放电反应（图6 D）。综上表明：DCN^Vm神经元的激活可增强Cg神经元与CS相关的信息处理。同时，作者利用化学遗传学激活或抑制DCN^Vm神经元，对小鼠以rotor-rod测试为代表的非联合型运动协调功能无显著影响，提示DCN^Vm神经元在联合型感觉-运动学习过程中的特异作用（图7）。

图6  光遗传学激活DCN^Vm神经元改变扣带皮层CS相关的信息处理

（图源：Jie Zhang et al., Neurosci Bull. 2022）

图7  化学遗传激活或抑制DCN^Vm神经元对非联合型运动协调功能无影响

（图源：Jie Zhang et al., Neurosci Bull. 2022）

文章结论与讨论，启发与展望综上，在该项研究中作者发现：（1）CS诱发的DCN^Vm神经元放电活动会随着tEBC训练而增强，其活动强弱可以预示CR的出现与否。（2）光遗传学激活DCN^Vm神经元可增强CR幅度和发生率，而光遗传学抑制DCN^Vm神经元则会降低CR幅度，但对CR发生率无显著影响。（3）光遗传激活DCN^Vm神经元可增强Cg神经元CS相关的放电活动。（4）DCN^Vm神经元放电活动可能不是非联合型运动协调功能所必需的。该研究通过操控特定靶目标（如Vm）投射的DCN亚群神经元活动，为今后全面解析不同轴突末梢投射目标的DCN神经元功能提供了一个的新策略。但该研究仅考察了DCN^Vm神经元在联合型感觉-运动学习和非联合型运动协调过程中的作用。考虑到Vm神经元轴突弥散投射至广泛的大脑皮层浅层区域、并调节这些区域神经元的兴奋性，DCN^Vm神经元是否还参与其它脑功能就值得进一步验证。

原文链接：https://link.springer.com/article/10.1007/s12264-021-00810-9

胡波和姚忠祥教授整体设计研究，张洁和陈浩博士为本文第一作者，章利彬、李容瑢、王斌、童柳霞等参与本课题的研究。该项目研究得到国家自然科学基金、重庆市自然科学基金和陆军军医大学本科生创新培育项目的资助。

胡波（左），通讯作者；张洁（右）第一作者。

（照片提供自胡波课题组）

【课题组简介】 胡波，陆军军医大学基础医学院生理学教研室副主任、教授、博士生导师。课题组重点开展1）小脑非运动功能的神经环路机制和2）睡眠促进记忆巩固的生理学机制2个方向研究。近5年，所负责的课题组获得了6项国家自然科学基金、1项军队后勤科研重点项目子课题、1项军科委国防创新特区项目、1项重庆市自然科学基金的资助。获授权国家发明专利2项。在Neuron、Cerebral Cortex、Neuroscience & Biobehavioral Reviews、Neuroscience Bulletin、Cerebellum等脑科学领域刊物发表论文10篇。

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Carta I, Chen CH, Schott AL, Dorizan S, Khodakhah K. Cerebellar modulation of the reward circuitry and social behavior. Science 2019, 363:eaav0581.

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6. Kuramoto E, Ohno S, Furuta T, Unzai T, Tanaka YR, Hioki H, et al. Ventral medial nucleus neurons send thalamocortical afferents more widely and more preferentially to layer 1 than neurons of the ventral anterior-ventral lateral nuclear complex in the rat. Cereb Cortex. 2015, 25:221-235.

7. Oswald BB, Maddox SA, Tisdale N, Powell DA. Encoding and retrieval are differentially processed by the anterior cingulate and prelimbic cortices: a study based on trace eyeblink conditioning in the rabbit. Neurobiol Learn Mem. 2010, 93: 37-45.

制版︱王思珍

本文完