运动学习的纹状体机制研究

Motor learning improves motor performance especially for complicated movements such as speaking or playing the piano. Recent studies have revealed that striatum is crucial for learning new motor skills. However, how motor learning shapes the activity of striatal neurons is largely unknown. Due to technical limitations, previous studies cannot monitor real-time activity changes of hundreds of striatal neurons at single cell resolution during motor learning. In this study, we will resolve this problem using in vivo two-photon deep brain calcium imaging. We will observe the activity of the same population neurons in the striatum while mice are learning a forelimb lever-pulling task over a few weeks, and try to find the relationship between the activity changes of these neurons and the learning phases. We hypothesize that reproducible spatiotemporal activity will emerge among striatal neurons with learning. We will also selectively label D1 or D2 neurons using Cre-loxP system in order to tear apart functional differences between the direct and indirect pathway. This study will uncover the neuromechanism of motor learning in the striatum, which may bring out new methods to improve the efficiency of the motor skill recovery for people with motor deficits, including aging, parkinsonian and hemiplegic patients, and may help the development of next-generation brain machine interface.

纹状体深度参与了高等动物的运动学习过程，但其具体的可塑性机制却一直不清楚。受技术所限，早期研究无法以单细胞分辨率实时观察大量纹状体神经元的兴奋性变化。本项目中，我们将采用双光子深脑钙成像技术来突破这一障碍，在小鼠学习新运动技能的过程中，对数百个纹状体神经元的电活动进行长期观测。我们推测，随着运动学习的进行，与所学运动相关的神经元之间的联系将得到逐渐增强，其电活动的发放也将从随机逐步变化到稳定可重复。同时，我们还会采用Cre-loxP系统，对表达D1或D2多巴胺受体的中型多棘神经元实现特异性标记，以研究它们分别介导的直接通路和间接通路在运动学习过程中可能存在的功能差异。这项研究将大大加深我们对运动学习纹状体环路机制的理解，并有可能帮助有运动障碍的人，包括运动迟缓的老年人，帕金森症患者，以及中风偏瘫患者，尽快恢复运动机能，同时有可能为研发新一代双向脑机接口提供相关理论基础。

运动技能的学习和掌握对于个体的生存至关重要。背外侧纹状体脑区主要接收来自感觉运动皮层四肢代表区的投射，在正常运动功能的执行、运动技能的学习以及习惯形成中具有重要的作用。已知该脑区主要分布着由多巴胺1型和2型受体分别标记的多棘投射神经元，分别介导了基底神经节运动调控中的两条经典通路，直接通路和间接通路。传统的拮抗模型认为直接通路促进运动，间接通路抑制运动。不同于拮抗模型中简单的“推-拉”式作用，协同模型认为，直接通路会促进期望运动的产生，间接通路会抑制那些与目的无关的竞争性运动。在本研究中，我们重点关注三个问题：第一，运动学习将会如何影响背外侧纹状体神经元的活动？第二，运动学习产生的影响在背外侧纹状体的直接通路和间接通路神经元活动中是否有差异？最后，若两条通路神经元活动变化不同，是否能够揭示通路特异性的功能差异？通过特异性标记直接通路和间接通路的神经元，我们观察到伴随着小鼠的学习过程，两条通路的神经元集群都逐渐产生了独特的、稳定的、顺序性发放的电活动模式，直接通路神经元倾向于在信号感知和推杆操作时活动，而间接通路神经元则更多地在推杆动作之后反应，并且在不同的运动任务场景中同一群神经元的电活动模式会发生改变。进一步的化学抑制实验结果表明，特异性抑制直接通路神经元会破坏推杆运动的起始，而特异性抑制间接通路神经元会引起试验间隔里的错误推杆次数显著上升。任一通路的抑制均会降低推杆动作本身的熟练程度。这些实验结果表明，直接通路和间接通路的神经元都参与到小鼠执行向右推杆任务的过程当中，在任务规则的贯彻上，前者主要负责目标运动的起始，后者主要负责与任务目的无关的运动的抑制；在具体动作的执行上，二者都参与了对推杆动作准确度的调控。两条通路彼此配合，共同保证小鼠可以高效、准确地执行学会的运动任务。这一研究为基底神经节直接通路和间接通路的架构和功能提供了新的认识，为揭示运动学习的环路原理提供了重要数据。该研究为基底神经节相关的运动障碍疾病的机制研究和治疗提供了新线索。