小腦核興奮性投射神經(jīng)元調(diào)節(jié)身體快速反應詳解
在運動過程中，中樞多個腦區(qū)協(xié)同作用可預判下一步進程，讓身體提前產(chǎn)生對未來動作的預測，以達到最佳的時空精度調(diào)節(jié)。當預測運動的指令和實際反饋的感覺信號不一致時，會產(chǎn)生預測誤差，而小腦在更正預測誤差和更新運動指令中具有重要作用。小腦中的下橄欖核（Inferior olivary，IO）和整合小腦的反饋興奮信號和抑制信號，并產(chǎn)生復雜的尖峰放電（complex spike，CS）。最近研究發(fā)現(xiàn)小腦的CS可能編碼對未來運動的預測，在羽毛球、兵半球等運動中，眼球和身體會產(chǎn)生高速移動，在眼球開始運動時，CS的信號最為強烈，隨后逐漸變小。小腦核（cerebellar nucleus，CN）可向IO腦區(qū)發(fā)出GABA能投射神經(jīng)元，抑制CS信號的產(chǎn)生，以實現(xiàn)運動的精確預判。2023年7月20日，來自荷蘭鹿特丹伊拉斯謨斯大學神經(jīng)科學系Zhenyu Gao團隊在nature neuroscience上發(fā)表題為“Excitatory nucleo-olivary pathway shapes cerebellar outputs for motor control”的研究論文，不同于經(jīng)典的抑制性假說，該團隊發(fā)現(xiàn)CN到IO的興奮性投射神經(jīng)元編碼眼球和上半身的快速運動。
1、FN的興奮性神經(jīng)元投射到mcMAO腦區(qū)
內(nèi)側(cè)小腦核（FN）腦區(qū)有大量神經(jīng)元投射到尾部內(nèi)側(cè)下橄欖核（cMAO），為了確定FN-cMAO的投射性質(zhì)，研究人員在SLc17ac-CRE（VGluT2-CRE）和GAD2-CRE小鼠的FN腦區(qū)注射示蹤病毒，發(fā)現(xiàn)FN的谷氨酸能神經(jīng)元投射到內(nèi)側(cè)cMAO（mcMAO）腦區(qū)，而FN的GABA能神經(jīng)元投射到外側(cè)cMAO（lcMAO）腦區(qū)，進一步通過免疫電鏡和電生理確定FN到mcMAO的投射神經(jīng)元存在大量的谷氨酸突觸。
對投射到mcMAO的FN興奮性神經(jīng)元 （FNE-IO） 和投射到lcMAO的FN抑制性神經(jīng)元（FNI-IO）的進行解剖分布研究，發(fā)現(xiàn)FNE-IO主要接收小腦皮質(zhì)小葉的III至VI區(qū)域浦肯野細胞的投射，主要投射到小腦的爬行纖維。而FNI-IO主要接收小腦后小葉IX和X區(qū)域浦肯野細胞的投射。
圖1、FN到cMAO的投射神經(jīng)元類型鑒定
2、FNE-IO投射調(diào)節(jié)小腦的復雜的尖峰放電
研究發(fā)現(xiàn)激活FNI-IO投射會抑制CS的活性，但是FNE-IO投射對CS的影響并不清楚。研究人員在FNE-IO投射中選擇性表達ChrimsonR，使用光遺傳學特異性激活FNE-IO投射，發(fā)現(xiàn)光遺傳學激活可在小腦小葉上記錄到出強烈的CS信號。而光遺傳學抑制可降低CS信號。使用fMOST發(fā)現(xiàn)FNI-IO投射可分為兩類，投射到運動和非運動相關(guān)腦區(qū)。
圖2、光遺傳學激活FNE-IO投射誘導CS信號
3、FNE-IO投射調(diào)節(jié)小鼠的眼球掃視運動和上半身運動
FNE-IO投射到腦橋網(wǎng)狀核、巨細胞網(wǎng)狀核和脊髓等，這些核團參與眼跳運動和頭/頸運動。光遺傳學激活FNE-IO投射對小鼠行為學進行檢測，發(fā)現(xiàn)激活FNE-IO投射引起眼部水平軸方位的運動和輕微垂直方向的運動，并且光激發(fā)強度越大，眼球運動更明顯。此外激活FNE-IO投射可引起自由運動的小鼠上身快速轉(zhuǎn)向?qū)?cè)。
圖3、光激活FNE-IO投射引起眼部掃視運動
總的來說，不同于經(jīng)典的CN抑制性神經(jīng)元調(diào)節(jié)小腦的復雜的尖峰放電，本文通過解剖學、電生理學和功能分析，證明FN腦區(qū)有大量的興奮性神經(jīng)元投射到mcMAO腦區(qū)，F(xiàn)NE-IO投射通過影響小腦的復雜的尖峰放電調(diào)節(jié)小鼠眼球和上半身的快速運動。
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