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智力开发 |
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大脑如何做出决定
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锥体神经元（PyNs）组成了大约80%的皮层神经元，且几乎形成了所有的远距离投射。根据其投射的距离，PyNs可以分为投射到脑内其他皮质和纹状体的脑内（IT）神经元以及投射到皮层下结构的锥体束（PT）神经元。虽然PyNs经常被看做是一个整体，但是PyNs的类型非常多样化。在皮质整体上了解这些不同类型的PyNs具有怎样的功能对于探究它们在皮层环路中发挥的作用十分关键。
Björn K和Anne C教授使用遗传学和逆向靶定的方法探究不同类型的PyNs在决策行为中发挥的作用，并将其成果Pyramidal cell types drive functionally distinct cortical activity patterns during decision-making于2023年1月发表于Nature Neuroscience 杂志。
1、PT和IT显示出不同的皮层活动模式
该实验使用靶向PT神经元的Fezf2-CreER小鼠和靶向IT神经元的PlexinD1-CreER小鼠，这两种小鼠品系会和Ai162繁育，使得钙指标GCaMP6s在不同的PyNs中特异性表达（图1.a,b）。此外，还使用在所有PyNs中非特异性表达GCaMP6s的EMX小鼠。
之后，用宽视野成像检测PyN类型特异性的皮层活动，再用机器学习算法（sNMF，local NMF等）分析相关数据，结果显示皮层活动差异具有明显的PyN类型特异性，其中，在顶叶和额叶的PT神经元以及IT神经元的视觉和体感区域差异最大（图1,2）。
图1. 敲入小鼠细胞系可以记录锥体神经元亚型特异性的皮层范围内的神经活动
图2. 不同类型的锥体神经元显示不同的皮层活动模式
2、PT和IT神经元表现出不同的任务相关活动
该实验对小鼠进行听觉决策实验，即让小鼠的前爪触碰小手柄，会同时引发位于左侧和右侧的声音，同时两侧都有一个喷嘴，如果小鼠舔了声音更多侧的喷嘴，那么小鼠可以获得奖励（图3.a）。sNMF和local NMF分析显示，不同的PyNs的神经元活动明显不同：体感和视觉皮层的IT活动部分被抑制，而PT的活动则升高（图3）。
图3.听觉决策实验揭示了不同的PyNs具有不同的功能活动模式
之后，为了分离任务相关的活动，该实验构建了一个线性编码模型，其中纳入了很多任务相关（感觉刺激，过去和现在的选择）和运动相关（舔，触碰手柄，以及面部运动）变量，最终得出每个变量(例如，感觉刺激)与皮层活动的关系。
在去除了运功变量的干扰下（运动会比任务捕捉到更多的变量，大约占模型60%），模型结果进一步验证了上述结果，即PT和IT的任务相关神经元活动不同，对感觉的刺激反应不同（图4,5）。
图4.编码模型揭示了PyNs具有任务特异性差异
图5.椎体神经元特异性的差异在皮层刺激反应的位置和特异性上十分明显
除了PyN类型特异的感觉反应外，该实验同时构建了一个逻辑回归模型进行选择相关活动的检测，研究显示，PT绝大部分的选择信号位于额叶，而IT的活动则相对很少（图6）。
图6.选择相关活动的时间动态在不同的锥体神经元类型中有所不同
3、皮质纹状体投射（CStr）神经元是功能分化的IT神经元亚类
由于IT神经元分为皮质内神经元和CStr神经元，为了检测上述IT神经元表现出的特性是否主要是由CStr神经元塑造，该实验注射CAV-2-Cre到小鼠中进行逆向追踪CStr神经元的GCaMP6s信号，同时也记录额叶PyNs的双光子钙成像信号。
结果显示，虽然在听觉实验中，CStr的活动有一部分与IT神经元活动相似，但两者之间还是有明显的不同，比如说CStr神经元缺乏感觉皮层的刺激前抑制。但在同侧偏好IT选择信号方面，CStr的活动总体上与IT神经元一致（图7）。
图7.皮质纹状体神经元的皮层范围活动
4、锥体神经元类型对感知和选择形成的特定因果贡献
上诉结果显示不同类型PyNs具有不同的特性，为了检测它们在决策中的功能，该实验使用stGtACR2（一种抑制性视蛋白）在听觉、顶叶和额叶皮质进行PyN类型特异性的光遗传学失活。
结果显示，如果双侧失活听觉，顶叶和额叶的EMX神经元，决策的准确性会大幅降低。失活顶叶的IT或者CStr神经元会造成轻度的损伤，但是失活PT神经元会造成严重的损伤。此外，在额叶的失活会造成最严重的损伤，此时IT和Cstr神经元额失活造成的效果一致（图8）。
总而言之，PyN类型特异性的抑制可以选择性地降低小鼠的反应准确性，抑制的神经元类型不同，效果不同。
图8.顶叶和额叶时间限定的，锥体神经元特异性的失活破坏了决策
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| 发 布 者： |
admin |
添 加 时 间： |
2023/10/30 |
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