在感知决策过程中，额叶皮层神经元表现出不同的选择性，分别代表感觉、运动和认知变量，但支撑这种不同选择性的神经环路仍然知之甚少^[1-2]。其中一种观点认为脑内存在一类参与多个过程的神经元，科学家们也通过在体电生理记录的方式观察到单个神经元放电活动表现类似于连续的时间变化和任务选择性的随机组合，这也从侧面验证了这一观点^[3-4]。

但对于行为信息的神经编码是否以及与额叶皮层回路的解剖织学关系至今仍然知之甚少。支持感知决策的信息是如何被额叶皮层神经元编码的？编码的过程额叶皮层回路的解剖织学关系又是怎样的呢？

 

2022年9月28日，贝勒医学院神经科学系Nuo Li研究团队在”Nature Neuroscience”发表了题为” Thalamus-driven functional populations in frontal cortex support decision-making”的工作，揭示了丘脑驱动决策行为中额叶皮层功能性神经元的作用^[5]。

 

研究者们首先构建了一个胡须决策行为范式。小鼠用右侧胡须辨别物体的位置，当物体在前方时，向左舔可获得水奖励；当物体在后侧时，向右舔才可获得水奖励（图1a）。小鼠决定向左舔还是向右舔的过程就是一种胡须决策行为，研究人员也通过电极记录了在决策行为中前外侧运动皮层（anterior lateral motor cortex, ALM）中20000个神经元的电活动。对ALM神经元电活动分析后发现神经元的活动并不是随机的，而是有一定的组织结构，且与行为的编码相关的。

根据刺激的位置、舔舐的方向、小鼠的反应等不同维度，研究者们将ALM神经元分为了刺激、选择、动作、结果、前肢翘起（Ramping）、走（Go）、响应等7种不同响应模式神经元群（图2b），这些ALM神经元在不同模式下电活动的活性和权重有较大差异，但也存在一些“共享”神经元，这些神经元参与多种行为，但对不同的行为有着不同贡献（图2b）。

 

图1:胡须决策行为范式构建

 

图2:胡须决策行为中ALM神经元可分为7种响应模式

 

为了了解ALM相关的神经投射，研究者们向ALM注射了逆向示踪剂WGA594，结果发现ALM的上行脑区包括同侧初级感觉皮层和次级躯体感觉皮层（primary and secondary somatosensory cortex, S1/S2）、同侧丘脑(部分腹内侧核、腹前外侧核、内侧背核等，ThalALM)和对侧ALM（cALM）。而在向ALM注射顺行示踪病毒AAV2.CAG.GFP后发现，ALM也投射至S1/S2、ThalALM和cALM（图3a），这说明ALM与S1/S2、ThalALM以及cALM形成了互反循环（图3a）。而在通过光遗传学的方式分别抑制S1/S2、ThalALM以及cALM的神经活动后，小鼠胡须决策行为会出现紊乱（图3b），如在Delay期抑制cALM的活动会使舔舐左侧的时间明显减少，而抑制ThalALM则会使舔舐右侧的时间明显减少（图3b）。

 

图3:ALM与S1/S2、ThalALM以及cALM存在神经投射

 

研究者们接下来进一步通过光遗传学的方式研究了S1/S2、ThalALM以及cALM对cALM神经元放电模式的影响。在光遗传抑制刺激期S1/S2活动时，刺激模式的响应会被影响，但并没有完全丢失（图4a），且这种影响是短期的；而在刺激期抑制ThalALM的活动会对ALM刺激模式的响应产生相对长期的影响。在7种ALM放电模式的响应中，光遗传抑制ThalALM产生的影响要比S1/S2区域和对侧ALM区域更强一些（图4d），这说明在胡须决策行为中ThalALM – ALM环路起到了非常重要的作用。

 

图4.三条神经环路对ALM响应模式的影响

 

总之，这项工作检查了触觉相关的决策在小鼠前外侧运动皮层与深层核团ThalALM的关系。与随机混合选择性的概念相反，对ALM区20000个神经元的分析揭示了有组织的活动编码行为，并且定义了7种不同的响应模式。在使用病毒示踪技术追踪了ALM的上行和下行脑区后发现，ALM与S1/S2、ThalALM以及cALM形成了互反循环，进一步通过光遗传学的技术发现ThalALM对ALM产生的影响要比S1/S2区域和对侧ALM区域更强一些。这也说明在胡须决策行为中ThalALM – ALM环路起到了非常重要的作用。

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