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基本信息：

Title:Connectivity underlying motor cortex activity during goal-directed behaviour

發(fā)表時(shí)間：2025.11.19（本周三凌晨更新）

Journal:Nature

影響因子：48.5

獲取原文：

正文

當(dāng)我們伸手去拿水杯、或把舌頭探向吸管時(shí)，大腦里究竟發(fā)生了什么？

幾十年來，神經(jīng)科學(xué)一直在追問一個(gè)核心問題：皮層中“誰連著誰”（connectivity）如何塑造“誰在什么時(shí)候?qū)κ裁葱畔l(fā)放”（neural coding）。在視覺皮層（visual cortex），我們已經(jīng)知道了不少經(jīng)典規(guī)律，比如“柱狀組織”“同類連同類”（like-to-like）的興奮性局部回路，以及周邊抑制形成的“墨西哥帽”（Mexican-hat）式空間結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)讓視覺皮層能對連續(xù)變量（如方向、位置）建立穩(wěn)定的“峰值”（bump）表征。

然而，在運(yùn)動皮層（motor cortex），特別是小鼠前外側(cè)運(yùn)動皮層ALM（anterior lateral motor cortex），這些關(guān)于連接—編碼的關(guān)系到底如何？多數(shù)既往研究是在高度訓(xùn)練的任務(wù)里做的，例如延遲舔舐或特定方向的眼/臂運(yùn)動，因而觀測到的活動模式常常在動作發(fā)生之前就已顯著調(diào)制?？稍谡鎸?shí)生活里，許多舌/口取食行為并不需要長時(shí)間訓(xùn)練；那么，在未經(jīng)過長期訓(xùn)練的自然目標(biāo)導(dǎo)向行為中，ALM 的神經(jīng)元是如何編碼目標(biāo)位置與結(jié)果的？這些編碼背后的局部回路結(jié)構(gòu)又是什么樣子？

這篇發(fā)表在《Nature》的工作把目光對準(zhǔn)了一個(gè)看似簡單卻很“生活化”的范式：多方向舌伸取水。實(shí)驗(yàn)里，小鼠頭固定，面前的“水嘴”（target, spout）可以隨機(jī)出現(xiàn)在一個(gè)網(wǎng)格的若干位置上；小鼠通過嗅覺/觸須等線索迅速尋找并用舌頭接觸以獲得水滴。這個(gè)行為幾乎不需要訓(xùn)練，非常貼近日常覓食，并且能天然覆蓋連續(xù)的二維“運(yùn)動目標(biāo)空間”（位置在上下/左右網(wǎng)格上變化）。

研究團(tuán)隊(duì)使用了體積雙光子鈣成像（layer 2/3, excitatory neurons, GCaMP6s），記錄了十萬級神經(jīng)元的活動，系統(tǒng)分析其對目標(biāo)位置（location）與結(jié)果（reward outcome）的調(diào)制時(shí)間結(jié)構(gòu)；更關(guān)鍵的是，他們采用全光學(xué)（all-optical）“因果連接映射”：在同一批被成像的興奮性細(xì)胞中，用雙光子光遺傳（soma-targeted ChrimsonR）逐個(gè)光刺激“目標(biāo)神經(jīng)元”，并觀測其他細(xì)胞是否出現(xiàn)跨閾值的響應(yīng)，從而估計(jì)強(qiáng)功能性（suprathreshold）連接——這些“連接”可以是單突觸也可以是多突觸，但方向明確、在體（in vivo）、高通量。

這套組合拳讓他們得以同時(shí)回答兩類長期難題：

（1）ALM 在天然目標(biāo)導(dǎo)向行為中的編碼到底是什么樣子？（2）這種編碼與局部回路的因果連接圖譜有什么關(guān)系？

結(jié)果非常有趣：首先，ALM 的大量神經(jīng)元對目標(biāo)位置與結(jié)果大小/遺漏有調(diào)制，而且多數(shù)神經(jīng)元的活動在動作后甚至獎賞后較長時(shí)間仍然顯著，這與訓(xùn)練范式里“動作前高調(diào)制”的經(jīng)典結(jié)論形成鮮明對比。其次，在同一塊皮層里測得的因果連接顯示出一個(gè)多尺度“柱狀”架構(gòu)：在100 μm以內(nèi)是同類興奮（like-to-like excitation），100–250 μm 范圍出現(xiàn)更明顯的抑制，并且軸向（層向）延展比側(cè)向延展更強(qiáng)，整體呈現(xiàn)“窄興奮—寬抑制”的“墨西哥帽”形態(tài)。再次，連接圖譜并非隨機(jī)：存在稀有但高度連接的“樞紐（hub）神經(jīng)元”，它們調(diào)諧較弱卻對周邊群體影響更大，可能扮演放大器/協(xié)調(diào)器的角色。最后，網(wǎng)絡(luò)模型表明：有了這些弱調(diào)諧但高外出度的 hub，即使非 hub 之間的 like-to-like 連接較弱，也能在回路層面放大/穩(wěn)定對空間目標(biāo)的選擇性峰值，從而為快速學(xué)習(xí)與策略更新提供結(jié)構(gòu)性“地基”。

換言之，這項(xiàng)研究給出了一個(gè)“像柱子一樣”的運(yùn)動皮層微電路藍(lán)圖：局部強(qiáng)興奮、周圍廣抑制、同類連同類，其間散布著弱調(diào)諧卻強(qiáng)影響力的hub。這張“連接—編碼—行為”三位一體的圖景，對于我們理解目標(biāo)導(dǎo)向行動的生成、結(jié)果監(jiān)控（vector feedback）、以及強(qiáng)化學(xué)習(xí)中“把結(jié)果與特定動作位置綁定”的神經(jīng)實(shí)現(xiàn)，具有基礎(chǔ)且廣泛的啟示。

核心發(fā)現(xiàn)

發(fā)現(xiàn)一｜ALM 不只管“去哪里”，還記“啥時(shí)候”“拿到?jīng)]”

把這塊皮層想成一張隨身小地圖，旁邊還掛著時(shí)間線和成績單。小鼠舌頭碰到水嘴后，很多神經(jīng)元會在對應(yīng)“格子”亮一下，而且這道亮光常常拖到動作結(jié)束后的幾秒，就像大腦在回放“剛才就是在那一格成功/失敗的”。

研究者偶爾把獎勵(lì)加大或干脆不給，發(fā)現(xiàn)不少神經(jīng)元并不是只對“多或少”有反應(yīng)，而是會把“在哪兒得到的”一起打包——更像一支帶方向的箭，而不是只寫分?jǐn)?shù)的評分表。獎勵(lì)變多時(shí)，那些原本不太顯眼的“偏愛位置”會被整體提亮，像是把那一格的亮度拉高；獎勵(lì)缺席時(shí)，亮度又被壓下去。換句話說，ALM 傳給學(xué)習(xí)系統(tǒng)的，不是抽象的“好/壞”，而是“在某個(gè)具體位置做了這件事，結(jié)果如何”。這正是快速調(diào)整策略所需要的“定點(diǎn)回饋”（可參看圖1–2的任務(wù)示意和曲線對比）。

Fig. 1 | Neural activity in ALM during multidirectional tongue reaching.

Fig. 2 | Conjunctive tuning for target location and reward outcome.

發(fā)現(xiàn)二｜近處互相帶動，遠(yuǎn)處彼此剎車；上下更通，左右更慢

點(diǎn)亮一個(gè) ALM 神經(jīng)元會發(fā)生什么？最近的鄰居（大約 100 微米內(nèi)）最容易被帶動，稍遠(yuǎn)（100–250 微米）反而以“剎車”為主，于是出現(xiàn)“中心興奮、周圍抑制”的“墨西哥帽”形狀。作者還做了控制，排除了“光打偏了”的技術(shù)假象，說明這是回路自身的真實(shí)屬性。把這張因果“地形圖”與神經(jīng)元的功能偏好對上號，你會發(fā)現(xiàn)：對相近位置有偏好的細(xì)胞更喜歡待在一起、互相扶持，周圍則有一圈“護(hù)欄”防止影響泛濫。這種“柱狀+護(hù)欄”的結(jié)構(gòu)，既能放大局部信號，又能防止整片皮層一起亂響（見圖3的空間剖面）。

Fig. 3 | Optical mapping of causal connectivity and its anatomical organization

發(fā)現(xiàn)三｜“同好更來電”，但主要發(fā)生在手可及的近鄰圈

把每個(gè)細(xì)胞“喜歡哪個(gè)格子”的曲線拿來逐對比一比，規(guī)律很樸素：偏好越像的一對，連接往往越強(qiáng)。不過這個(gè)“同好更來電”的效果主要發(fā)生在彼此非常接近的細(xì)胞之間（約 100 微米內(nèi)）。一旦距離拉開，聯(lián)系就明顯變淡。想象一下一支樂隊(duì)的排練：坐得近的同聲部更容易互相對拍、越唱越整齊；隔了好幾排的，就算同樣喜歡副歌，也很難直接互相帶節(jié)奏。ALM 里的“同好小團(tuán)體”就是這樣在空間上長出來的：一小撮對同一方向/位置很敏感的細(xì)胞，彼此拉一把，就更容易在那一格“立得住”“頂?shù)梅€(wěn)”。這也解釋了為什么在行為上，動物能迅速把注意力和動作對準(zhǔn)某一小塊空間，而不是到處平均發(fā)力（對應(yīng)圖4a的功能-連接對齊分析）。

Fig. 4 | Causal connectivity and its relation to encoding of tongue-reaching movements

發(fā)現(xiàn)四｜“帶頭大哥”自己不搶戲，卻把全場托起來

網(wǎng)絡(luò)里還藏著少數(shù)“帶頭大哥”（hub）：它們自己對具體位置或結(jié)果并不“尖”，看起來平平無奇；但它們連出去的線特別多，能同時(shí)影響一大圈鄰居。把它們想成現(xiàn)場的調(diào)音師——不唱主旋律，卻決定整場的氣勢和層次。數(shù)據(jù)上，這類“外出度”呈重尾分布：人數(shù)少但能量大；而且“收進(jìn)來的線”和“放出去的線”常常一起多，隱約形成一個(gè)“富俱樂部”。

模型進(jìn)一步告訴我們：當(dāng)這些“廣而弱”的 hub 跟周圍“同好緊密互連”的小團(tuán)體配合時(shí)，空間選擇性的那座小山峰更容易被托高、也更穩(wěn)，同時(shí)對“同好之間必須連得多么緊”的要求沒那么苛刻。通俗地說：非 hub 負(fù)責(zé)“唱得準(zhǔn)”（細(xì)致的空間偏好），hub 負(fù)責(zé)“讓全場聽得見”（把該亮的地方整體推一把）。兩者搭起來，動物就既能快速學(xué)會對準(zhǔn)目標(biāo)位置，又能讓這個(gè)對準(zhǔn)保持穩(wěn)定（可參看圖4的網(wǎng)絡(luò)與模型示意）。

結(jié)論

本文把自然目標(biāo)導(dǎo)向行為、在體高通量因果映射與網(wǎng)絡(luò)建模無縫銜接，提供了運(yùn)動皮層在未充分訓(xùn)練條件下的連接—編碼—行為統(tǒng)一圖景：柱狀—墨西哥帽的因果結(jié)構(gòu)、like-to-like 的功能特異連接、以及弱調(diào)諧但高影響力的 hub共同支撐了對連續(xù)目標(biāo)空間的穩(wěn)定表征。這一框架對理解快速學(xué)習(xí)、策略更新與向量式結(jié)果反饋提供了堅(jiān)實(shí)證據(jù)。

展望與應(yīng)用

未來值得追問的方向：

細(xì)胞類型學(xué)映射：hub 與非 hub 分別落在哪些興奮性細(xì)胞類型或發(fā)育譜系（如徑向克?。┥?？能否與分子標(biāo)記/轉(zhuǎn)錄譜一致對接？

學(xué)習(xí)塑形：長期訓(xùn)練/規(guī)則化任務(wù)會如何重塑“墨西哥帽”核與 hub 比例？快速學(xué)習(xí)與慢性可塑性在此框架中如何協(xié)同？

跨層與跨區(qū)耦合：L2/3 的柱狀組織如何與深層（L5/6）與丘腦/基底節(jié)環(huán)路對接，共同決定“動作前 vs 動作后”的調(diào)制時(shí)序？

因果操控驗(yàn)證：如果定向沉默/激活 hub，是否能特異改變鄰域調(diào)諧峰的強(qiáng)度/穩(wěn)定性與學(xué)習(xí)速率？這將進(jìn)一步確立 hub 的“放大器”地位

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審核：PsyBrain 腦心前沿編輯部

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