Nature: 大脑是如何控制行动的冲动?科学家揭示竞争性神经环路驱动行为的冲动

亨廷顿氏症患者的运动具有不受控制、不自主的特点，而帕金森氏症患者则难以开始运动。有意思的是，这两种情况都源于同一大脑区域的功能障碍：基底神经节。相同的结构却引起不同的运动障碍？

纹状体的D1多巴胺受体能多棘神经元直接投往基底神经节的黑质网状部和内侧苍白球，形成直接通路；D2多巴胺受体能多棘神经元通过外侧苍白球和丘脑底核间接地投向基底神经节，形成间接通路。激活直接通路促进运动功能，激活间接通路抑制运动功能。

2022年6月6日葡萄牙Champalimaud基金会Joseph J. Paton团队发现纹状体神经环路平行、竞争抑制运动功能。

研究人员设计了一项运动抑制行为学实验：小鼠需要识别两个音调的间隔时间是长于还是短于 1.5 秒。如果它短于1.5秒，则会在盒子的左侧提供奖赏，如果间隔时间大于1.5秒，它将在右侧获得奖赏。

图1：运动抑制行为学实验流程图

小鼠在实验起始阶段运动速度增加，完成第一个音调任务后需要立即停止运动，即便间隔时间超过1.5秒，该期间需要抑制运动的冲动，在听到第二个音调才进行运动。

在这个行为学实验中，小鼠由于未能在第二个音调出现之前坚持停留在盒子的位置引起实验终止，这称为broken fixation（占到实验总次数的36.5%）。

图2：病毒标记直接和间接纹状体投射神经元

通过病毒工具特异性标记背外侧纹状体直接通路神经元和间接通路神经元，光纤钙成像记录发现在在实验起始阶段和选择阶段(运动期间)直接和间接通路神经元钙离子活性均增加，两个音调间隔期间（抑制运动期间）间接通路神经元活性明显比直接通路神经元活性强。此外，在单细胞在体电生理实验进一步证实了在抑制运动时，间接通路神经元放电活动增加更为明显。

图3：光调控纹状体间接通路神经元无法抑制运动

光遗传学抑制纹状体间接通路神经元活性后在间隔期间能够小鼠不具备运动抑制的能力，变得更加冲动（在未听到第二个音调就进入寻找奖赏过程中），增加在broken fixation实验中对侧选择能力，不影响运动速度。在抑制直接通路神经元并不能发挥这种作用，但可降低运动速度，

为了进一步弄清楚引起小鼠不能控制自主运动的机制，他们建立了强化学习模型模拟了上述运动抑制行为学实验，结果发现背外侧纹状体存在一个平行神经环路负责学习促进运动的能力，这个候选脑区为背内侧纹状体。

光遗传学结果表明抑制背内侧纹状体直接通路神经元或间接通路神经元对动作抑制均没有显着影响，但明显就降低broken fixation实验中对侧选择能力。

总的来说，本文揭示了主动抑制运动的神经环路，并发现基底神经元存在多个平行神经环路，不断竞争下一个动作的执行。

原始出处：

Cruz， B.F.， Guiomar， G.， Soares， S. et al. Action suppression reveals opponent parallel control via striatal circuits. Nature (2022). https：//doi.org/10.1038/s41586-022-04894-9.