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输入到运动皮层使小鼠可能的灵巧运动

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12/25/19 |输入到运动皮层使小鼠可能的灵巧运动

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在老鼠身上,进行像抓握这样的灵巧运动需要在整个运动过程中输入运动皮层的模式。

使用高速摄像机,研究人员跟踪老鼠伸出手抓住食物颗粒时的手臂运动。然后,他们测试了关闭大脑不同部分是如何影响这种灵巧运动的。信用: Sauerbrei 等人/自然2019

在昏昏欲睡的雾霭中,伸出手抓住你面前的咖啡杯似乎是自动驾驶。但是你缺乏咖啡因的大脑正在努力工作。它收集感官信息和其他类型的反馈 -- 关于你的手臂相对于杯子在太空中的位置的线索 -- 并将其发送到你的运动皮层。然后,运动皮层计划即将到来的运动,并告诉你的肌肉去实现它。

对老鼠的新研究正在检查那些进入运动皮层的反馈信号的作用,解开它们如何以及何时需要引导灵巧的运动,比如抓握。

霍华德 · 休斯医学研究所 Janelia Research Campus 的助理、该研究的合著者布里顿 · 索尔布雷说,这是一个大的悬而未决的问题。一些神经回路可以在没有持续输入的情况下产生有节奏的、模式化的输出。就像骑手的一次轻推可以让马小跑一样,这些 “中央模式发生器” 可以帮助动物在没有持续刺激的情况下行走、游泳和飞行。但事实证明,不是运动皮层。

“我们展示的是运动皮层与此根本不同,” 索尔布雷说。“你不能只给大脑皮层一点刺激,让它起飞,然后自己产生那种模式。”

相反,运动皮层需要在整个运动过程中接受反馈,Sauerbrei 和他的同事在 2019年12月25日报告,在自然

他和他的同事训练老鼠伸手抓食物颗粒,这种行为取决于运动皮层。在一些动物身上,他们关掉了丘脑,丘脑是大脑中的一个交换机,它引导感官信息和其他种类的反馈进出大脑皮层。

当研究人员在老鼠开始到达之前阻止进入运动皮层的信号时,动物并没有开始运动。当传入的信号被阻断到中间时,老鼠停止将爪子移近颗粒。

研究人员显示,这些信号的节奏也很重要。在另一项实验中,他们用不同模式的传入信号刺激从丘脑向皮层传递信号的神经元。刺激的频率影响运动皮层的输出,快速脉冲干扰老鼠的抓握技能。

亚当 · 汉特曼说,通过丘脑进入运动皮层的信号来自各地,目前还不清楚哪些信号对指导运动最重要, janelia 的组长和论文的资深作者。丘脑的输入包括关于手臂位置的感觉信息、视觉信息、来自其他大脑区域的运动指令以及关于即将到来的运动的预测。使用 Janelia 项目团队 Thalamoseq 开发的工具,Hantman 的实验室计划打开和关闭丘脑的特定区域,以测试哪些输入真正驱动了行为。

对汉特曼来说,理解这些运动技能的复杂性使得研究它们如此令人兴奋。“如果你想理解一种行为,并且你认为你将研究一个地区,你可能处于一个艰难的境地,” 他说。"你需要了解整个中枢神经系统."

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引用:

Britton A.Sauerbrei,Jian-Zhong Guo,Jeremy D.Cohen,Matteo Mischiati,Wendy Guo,Mayank Kabra,Nakul Verma,Brett Mensh,Kristin Branson 和 Adam W.Hantman。“灵巧运动过程中的皮质图案生成是输入驱动的。”自然。2019年12月25日在线发布。Doi: 10.1038/s41586-019-1869-9