Neurosci Bull︱孙宗鹏等在小脑核团控制不同类型运动的机制研究取得新进展

撰文︱孙宗鹏

责编︱王思珍

小脑是参与运动控制的经典脑区之一。小脑同一神经元怎样同时参与调控动力学特征迥异的不同类型运动是运动控制领域亟需解决的科学问题。与需要协调多块肌肉的复杂运动不同，眼动仅由三对眼球外肌控制（外直肌和内直肌，上直肌和下直肌，上斜肌和下斜肌）控制[1]。眼动由于具有生物力学简单，自由度低，可以在实验室环境中轻松测量的优点[2]，是研究小脑参与运动控制神经机制的理想模型。利用眼跳（saccade，即扫视，速度可达数百^o/s）和平滑追随眼动（smooth pursuit eye movements，简称SPEM，速度一般在10^o/s左右）这两种类型眼动，已有研究表明小脑顶核尾侧（caudal fastigial nuclei，cFN）既有眼跳相关神经元又有SPEM相关神经元[3–5]。然而，小脑核团单一神经元是否同时参与不同类型眼动及其机制尚不清楚。

2022年4月29日，陕西师范大学心理学院的孙宗鹏和德国图宾根大学的Peter Thier团队在Neuroscience Bulletin上发表了题为“Differential Kinematic Encoding of Saccades and Smooth-pursuit Eye Movements by Fastigial Neurons”的文章，表明了在单个神经元水平上小脑同时表征两种不同类型的目标导向眼动是小脑中的重要运算规则，而非巧合，揭示了特定脑结构可利用有限的神经元服务于多种类型运动的不同动力学编码，而不必以降低动力学分辨率为代价。孙宗鹏为论文的第一作者及共同通讯作者，Peter Thier教授为论文的共同通讯作者。

cFN主要接收来自oculomotor vermis（OMV，即眼动相关的小脑蚓部）的神经投射。近来研究表明，OMV中的单一浦肯野细胞可同时参与眼跳和SPEM [6,7]。利用清醒猕猴在体电生理记录，作者发现同一cFN神经元即对saccade有反应，又参与控制SPEM（图1A-B）。为了探讨cFN神经放电模式对眼睛位置、眼动速度和加速度的编码，作者利用含有不同动力学参数组合的多元线性回归模型进一步分析了不同方向的Saccade和SPEM的神经反应，模型得到的决定系数（coefficients of determination，CDs)）可以反应特定动力学参数对神经元放电模式的贡献。上述示例神经元对Saccade和SPEM动力学参数的编码原则不同（图1C-D）。对于saccade，该神经元偏好记录侧同侧的saccade眼睛位置参数和对侧saccade的速度和加速度，这一结果与之前关于cFN启动对侧眼动的假说一致[8]；而对于SPEM，该神经元的放电模式主要受对侧SPEM的眼睛位置参数影响。

图1 单一cFN神经元同时参与saccade和SPEM

（图源：Sun ZP, et al., Neuroscience Bulletin, 2022）

作者进一步通过cFN神经元在不同SPEM方向的神经放电模式的相关性分析，结果显示：对于包含对侧方向成分的SPEM运动，神经放电模式类似，即这些方向的神经反应间的相关系数较高（图2B-D）。

图2 cFN神经元对不同方向的SPEM主要呈现出两种神经反应

（图源：Sun ZP, et al., Neuroscience Bulletin, 2022）

进一步利用Bootstrapping结合Cohen’s D分析，发现cFN神经元对于不同方向saccade和SPEM不同动力学参数的偏好不仅在示例神经元存在，而是在cFN普遍存在的编码原则（图3A-D）。cFN对saccade和SPEM动力参数的不同偏好与之前发现的cFN失活对Saccade和SPEM的影响无相关性的结论吻合[8]。但是，由于本研究先记录测试saccade相关的神经元，如果神经元对saccade有反应再进而记录SPEM运动中的神经反应，所以该研究包含的SPEM相关的神经元数量比saccade相关的神经元数量少。因此，一种可能性是记录到的同时参与Saccade和SPEM的神经元可能在生理特性上不同于仅参与saccade的神经元。为了探讨这一可能性，作者利用神经元的多个放电参数及动作电位的波形参数结合K-means群簇分析，发现根据Silhouette轮廓图所有saccade相关的神经元可分为两个群组（图3E），但是这两群神经元并没有展现出对saccade或SPEM的特定偏好。这两群神经元均含有对SPEM敏感和对SPEM不敏感的Saccade相关神经元（图3F），这表明与SPEM相关的神经元可能与仅对saccade敏感的神经元没有本质的区别。这两群神经元在saccade中的决定系数模式分析支持这一结论（两群神经元的CD模式相似）（图3G-H）。最后，分别对从左侧和右侧cFN记录的神经元进行的Bootstrapping分析，发现了两侧cFN神经元有着类似的运动学参数偏好。

图3对不同类型运动的不同动力学参数的偏好是cFN的普遍编码原则

（图源：Sun ZP, et al., Neuroscience Bulletin, 2022）

文章结论与讨论，启发与展望

该研究首次在单细胞水平证实小脑顶核尾侧（cFN）核团单一神经元，至少是一部分cFN神经元，可同时表征两种截然不同的目标导向眼动。越来越多的证据表明包括上丘、背侧脑桥核、OMV（眼动相关的小脑蚓部）等在内的多个脑结构同时参与。利用眼跳（saccade）和平滑追随眼动（SPEM）的调控，此研究的结果为此增加了另一证据。但是，由于本研究所记录的均为对saccade有反应的神经元，因此不能完全代表cFN中的所有神经元，未来研究需要考虑包含更为普遍的神经元。此外，该文中神经元分类方法有一定局限，并不能排除cFN神经元可能利用其他方法进行区分，例如根据其投射目标。此研究结果表明，cFN神经元可根据不同需求动态调整动力学编码，从而保证较高的动力学分辨率的同时参与调控不同类型运动。

原文链接： https://link.springer.com/article/10.1007/s12264-022-00857-2

文章第一作者并共同通讯作者孙宗鹏

（照片提供自：陕西师范大学心理学院孙宗鹏实验室）

孙宗鹏，陕西师范大学心理学院副研究员，从事行为学习与控制及其与情绪间相互作用的神经机制研究。作为第一作者/通讯作者在BMC Biology、Neuroscience Bulletin、Journal of Neurochemistry等高水平期刊发表SCI论文10篇。

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参考文献（上下滑动阅读）  

1.Sparks DL (2002) The brainstem control of saccadic eye movements. Nature reviews. Neuroscience 3 (12): 952–964.

2.Dash S, Thier P (2014) Cerebellum-dependent motor learning: lessons from adaptation of eye movements in primates. Progress in brain research 210: 121–155.

3.Suzuki DA, Keller EL (1988) The role of the posterior vermis of monkey cerebellum in smooth-pursuit eye movement control. II. Target velocity-related Purkinje cell activity. Journal of neurophysiology 59 (1): 19–40.

4.Sato H, Noda H (1992) Posterior vermal Purkinje cells in macaques responding during saccades, smooth pursuit, chair rotation and/or optokinetic stimulation. Neuroscience research 12 (5): 583–595.

5.Sun Z, Smilgin A, Junker M, Dicke PW, Thier P (2017) The same oculomotor vermal Purkinje cells encode the different kinematics of saccades and of smooth pursuit eye movements. Scientific reports 7: 40613.

6.Sun Z, Smilgin A, Junker M, Dicke PW, Thier P (2017) The same oculomotor vermal Purkinje cells encode the different kinematics of saccades and of smooth pursuit eye movements. Scientific reports 7: 40613.

7.Raghavan RT, Lisberger SG (2017) Responses of Purkinje cells in the oculomotor vermis of monkeys during smooth pursuit eye movements and saccades: comparison with floccular complex. Journal of neurophysiology 118 (2): 986–1001.

8.Robinson FR, Straube A, Fuchs AF (1993) Role of the caudal fastigial nucleus in saccade generation. II. Effects of muscimol inactivation. Journal of neurophysiology 70 (5): 1741–1758

制版︱王思珍

本文完