任何運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵功能都是對(duì)外界的刺激(包括其他人的行為)做出快速而靈活的反應(yīng)。
假設(shè)對(duì)所執(zhí)行和觀察到的行為有強(qiáng)健的表現(xiàn),那么就會(huì)增加許多物種的生存價(jià)值,因?yàn)樗梢蕴峁┳罴训男袆?dòng)選擇,來(lái)獲得食物或避開捕食者。
然而,哪些神經(jīng)環(huán)路整合了執(zhí)行的和觀察到的動(dòng)作,以及如何整合,還不是很清楚。
在不同種類的靈長(zhǎng)類和鳴禽中,這種相互作用的顯著表現(xiàn)形式是鏡像神經(jīng)元。鏡像神經(jīng)元首先在猴子的運(yùn)動(dòng)皮層,然后是后頂葉皮層第四層(PPC4),后來(lái)在人類和鳥類的報(bào)道中也指出,當(dāng)個(gè)人執(zhí)行特定的動(dòng)作時(shí),這些鏡像神經(jīng)元觀察到同種人執(zhí)行的相同動(dòng)作時(shí),它們都會(huì)做出可靠的反應(yīng);谶@些特性,鏡像神經(jīng)元被假設(shè)為具有特定的社會(huì)功能,即從根據(jù)觀察到的行為選擇適當(dāng)?shù)膭?dòng)作到理解意圖和模仿他人的動(dòng)作。然而,經(jīng)過(guò)多年的研究,鏡像神經(jīng)元是否建立在動(dòng)作理解的基礎(chǔ)上,或者它們的生理特性是否可以更好地用簡(jiǎn)單的、暫時(shí)的感覺-運(yùn)動(dòng)聯(lián)系來(lái)解釋,仍然存在爭(zhēng)議。
如果有可能在基因易馴化的動(dòng)物模型中訪問(wèn)潛在的社會(huì)學(xué)習(xí)的細(xì)胞網(wǎng)絡(luò),那么找到這些問(wèn)題的機(jī)械解決方案將會(huì)帶來(lái)巨大的好處。
因此,科研人員試圖確定在小鼠額運(yùn)動(dòng)區(qū)或PPC中是否存在鏡像樣神經(jīng)元。和其他嚙齒動(dòng)物一樣,小鼠可以在社會(huì)上獲得感覺運(yùn)動(dòng)和基于恐懼的行為,它們最近證明了研究移情社會(huì)學(xué)習(xí)的神經(jīng)生物學(xué)的有效模型。新出現(xiàn)的證據(jù)還表明,嚙齒動(dòng)物和靈長(zhǎng)類動(dòng)物的后頂葉皮層和運(yùn)動(dòng)皮層包括一個(gè)支持目標(biāo)導(dǎo)向行為的幾個(gè)方面的大腦皮層網(wǎng)絡(luò),包括決策,感覺運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換和運(yùn)動(dòng)計(jì)劃。嚙齒動(dòng)物模型還帶來(lái)了方法論上的優(yōu)勢(shì),包括在不受限制的受試者中使用Inscopix自由活動(dòng)超微顯微鈣成像系統(tǒng)進(jìn)行大規(guī)模的神經(jīng)記錄,這使得在動(dòng)物自然的行為期間記錄大規(guī)模的神經(jīng)元自我發(fā)放,能夠分析神經(jīng)集合的動(dòng)力學(xué)。反過(guò)來(lái),就可以獨(dú)立于實(shí)驗(yàn)者的偏見,揭示由行為驅(qū)動(dòng)的神經(jīng)群體活動(dòng)的內(nèi)在特征,例如狀態(tài)空間結(jié)構(gòu)。
在本篇中,科研人員使用Inscopix自由活動(dòng)超微顯微鈣成像系統(tǒng)(圖1A),在小鼠執(zhí)行或觀察到獲得食物顆粒和跑輪的任務(wù)(圖1B)時(shí),一次對(duì)數(shù)百個(gè)神經(jīng)元的活動(dòng)進(jìn)行成像(圖1C)?蒲腥藛T證實(shí)觀察者動(dòng)物在任務(wù)中注意力集中,對(duì)視覺刺激表現(xiàn)出可靠的神經(jīng)反應(yīng)。
圖1 自由行為小鼠PPC和M2中神經(jīng)群體成像的實(shí)驗(yàn)范式
通過(guò)對(duì)行為實(shí)驗(yàn)的記錄進(jìn)行降維,我們發(fā)現(xiàn)在表演和觀察到的行為過(guò)程中,總體反應(yīng)的結(jié)構(gòu)有明顯的差異。這推動(dòng)了隨后使用洗牌分析和使用廣義線性模型(GLM)的統(tǒng)計(jì)建模來(lái)量化單個(gè)細(xì)胞對(duì)特定行為的選擇性。所有的測(cè)試都表明PPC和M2受到行為行為的強(qiáng)烈驅(qū)動(dòng),類似于在更典型的任務(wù)中所顯示的,但這里擴(kuò)展到了行為自由的動(dòng)物。另一方面,觀察到的行為的神經(jīng)編碼在兩個(gè)大腦區(qū)域都低于隨機(jī)水平,即使是在表現(xiàn)有很強(qiáng)相關(guān)性的神經(jīng)元中也是如此。這些結(jié)果表明,測(cè)試觀察到的動(dòng)作的表征發(fā)生在小鼠的頂額環(huán)路之外,或者說(shuō)嚙齒類動(dòng)物的這種表征需要視覺以外的額外感覺輸入。
參考文獻(xiàn):
Tuce Tombaz, Benjamin A. Dunn, Yasser Roudi. Action representation in the mouse parieto-frontal network. Scientific Reports volume 10, Article number: 5559 (2020)