發(fā)布時(shí)間:2020-07-01
2020年6月24日,《eLife》期刊在線發(fā)表了題為《次級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層在靈活視覺分類行為中參與適應(yīng)性行動(dòng)選擇的控制》的研究論文。該研究發(fā)現(xiàn),次級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層的行動(dòng)選擇信息和感覺歷史信息受到任務(wù)需求的動(dòng)態(tài)調(diào)控,在靈活行為中具有重要作用。該研究由中國科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心(神經(jīng)科學(xué)研究所)、上海腦科學(xué)與類腦研究中心、神經(jīng)科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室姚海珊研究組完成,博士研究生王天一為第一作者。
大千世界熙熙攘攘,包括各式各樣的刺激、物體和事件。能夠根據(jù)刺激和行為意義的相似程度進(jìn)行分類歸納,以便概括地指導(dǎo)行為,是人類和動(dòng)物生存所必需的一種基本而重要的認(rèn)知能力。世界又是瞬息萬變的,環(huán)境的變化要求個(gè)體能夠更新劃分事物功能類別的標(biāo)準(zhǔn),根據(jù)不同的環(huán)境和自己對(duì)相應(yīng)環(huán)境的經(jīng)驗(yàn),靈活地調(diào)整自己的行為,達(dá)到趨利避害的目的。不能靈活地適應(yīng)環(huán)境或規(guī)則變化是一些神經(jīng)系統(tǒng)疾?。ㄈ缇穹至寻Y和自閉癥)的典型特征。因此,研究靈活行為的神經(jīng)機(jī)制對(duì)于理解大腦如何適應(yīng)環(huán)境變化具有重要意義。
前人的研究發(fā)現(xiàn),獼猴額葉的前輔助運(yùn)動(dòng)區(qū)和額葉眼動(dòng)區(qū)神經(jīng)元的活動(dòng)能夠反映靈活刺激分類行為的分類邊界改變。這些腦區(qū)在嚙齒類動(dòng)物中的同源區(qū)域是次級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層(secondary motor cortex, M2)。已有研究發(fā)現(xiàn),M2神經(jīng)元編碼行動(dòng)選擇和行為歷史的信息,但是M2是否參與靈活分類行為中的行動(dòng)選擇,以及M2編碼的相關(guān)信息如何受到行為調(diào)整需求的調(diào)控,還不完全清楚。
研究人員訓(xùn)練小鼠根據(jù)視覺刺激空間頻率的高低(即條紋的粗細(xì)或疏密程度)進(jìn)行分類,產(chǎn)生向左或向右的行為選擇。在實(shí)驗(yàn)過程中,分類標(biāo)準(zhǔn)在一個(gè)低頻刺激和一個(gè)高頻刺激之間發(fā)生反復(fù)切換,空間頻率在低頻和高頻分類邊界之間的刺激稱為切換刺激。在分類標(biāo)準(zhǔn)切換后,小鼠需要調(diào)整內(nèi)心的判別標(biāo)準(zhǔn),靈活改變對(duì)切換刺激的行為選擇,才能有效獲得獎(jiǎng)勵(lì)。用藥物遺傳學(xué)手段抑制雙側(cè)M2的活動(dòng),降低了小鼠在分類邊界切換后適應(yīng)性調(diào)整自身行為的能力,表現(xiàn)為行為調(diào)整速度減慢。建模分析結(jié)果顯示,上述操縱主要影響了小鼠對(duì)感覺歷史信息的利用,而非獎(jiǎng)懲歷史信息。電生理記錄則表明,當(dāng)分類標(biāo)準(zhǔn)發(fā)生變化,小鼠需要重新調(diào)整對(duì)切換刺激的行為選擇時(shí),M2神經(jīng)元編碼的行動(dòng)選擇和感覺歷史信息得到了增強(qiáng)。
這些結(jié)果表明,在靈活視覺分類行為中,M2參與了行動(dòng)選擇的靈活控制,而且M2神經(jīng)元對(duì)抉擇和感覺歷史信息的表征受到任務(wù)需求的動(dòng)態(tài)調(diào)控。研究人員對(duì)內(nèi)側(cè)前額葉皮層和眶額皮層附近的額葉腦區(qū)也進(jìn)行了藥物遺傳學(xué)操縱,并未發(fā)現(xiàn)小鼠的靈活行為受到顯著影響,這暗示了M2在感覺歷史信息引導(dǎo)的靈活行動(dòng)選擇中具有獨(dú)特貢獻(xiàn)。
本研究在姚海珊研究員的指導(dǎo)下,主要由博士研究生王天一完成,姚海珊組的劉婧也做出了重要貢獻(xiàn)。本工作得到國家自然科學(xué)基金委員會(huì)、中科院和上海市政府的資助。

圖注:A. 在靈活視覺分類行為中,小鼠需要及時(shí)覺察分類標(biāo)準(zhǔn)的變化,更新自己對(duì)切換刺激的行為選擇。在刺激的行為意義難以確定時(shí),理論上小鼠可以根據(jù)行為選擇的獎(jiǎng)懲歷史和感覺刺激歷史做出抉擇。B. M2神經(jīng)元對(duì)上一次試驗(yàn)的刺激具有選擇性,即能夠表征感覺刺激歷史。
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