《Frontiers in Neural Circuits》：The cerebellum engages multiple pre-motor pathways through a divergent-convergent architecture to shape whisker dynamics
编辑推荐：
本研究揭示了小脑（Cerebellum）通过发散-汇聚的神经架构，利用多个运动前核团（如红核RN、上丘SC、网状结构RF、三叉神经脊束核SV）分别调控胡须运动的不同运动学特征（如节律、对称性、中点位置），从而精细塑造胡须的动态行为模式。
1 引言
不同的动物物种利用多种形式的主动感知来探索环境。啮齿动物通过主动伸缩胡须来收集周围环境的感觉信息。胡须系统已成为研究感觉运动控制的标准模型。啮齿动物拥有专门的肌肉来控制胡须运动，其中固有肌直接影响每个周期胡须运动的快速成分，而外在肌主要决定其中点的慢速成分。这些肌肉由位于面神经核（FN）的运动神经元支配，而面神经核接收来自红核（RN）、网状结构（RF）、上丘（SC）和三叉神经脊束核（SV）等运动前核团的汇聚输入。RN、SC、RF和SV与小脑之间存在相互连接，凸显了下游的发散架构。光遗传学刺激小脑皮层浦肯野细胞（PCs）可诱导具有不同对称形式的双侧胡须运动。研究控制节律性胡须行为的神经回路已取得重大进展，阐明了RF作为胡须运动中枢模式发生器（CPG）的作用。然而，胡须行为是状态依赖性的，并以变化的幅度、中点和频率准节律性地发生。此外，胡须行为可能包含在头部和身体运动之前出现的非周期性运动。因此，其他与小脑相互连接并投射到FN的运动前核团是否以及如何影响胡须运动的不同方面，目前尚不清楚。
2 材料与方法
所有实验均按照机构动物福利委员会的动物指导方针进行。使用了野生型C57BL/6J和转基因L7-Cre-Ai27D、L7-Cre-Ai39小鼠。通过病毒注射（如AAV9-Syn-ChrimsonR-tdTomato）和光纤植入，在小脑核（CN）、红核（RN）、上丘（SC）、网状结构（RF）和三叉神经脊束核（SV）等特定脑区表达光敏感蛋白ChrimsonR。使用高速摄像机记录头部固定清醒小鼠的双侧胡须运动，并通过定制软件进行追踪。光遗传学刺激持续100毫秒，强度经过校准以最低强度触发胡须运动。通过组织学和显微镜检查验证病毒表达和光纤位置。统计分析采用配对Wilcoxon符号秩检验和Welch's t检验。通过功率谱密度估计和连续小波变换进行频谱分析，以研究胡须运动的频率特性。
3 结果
3.1 浦肯野细胞（PCs）的兴奋而非抑制触发高度节律性的双侧胡须运动模式
光遗传学刺激右侧小脑旁正中小叶（PML）的PCs发现，兴奋PCs一致性地诱导出节律性双侧胡须运动，具有多个抖动周期。而抑制PCs则在右侧诱导出不一致的节律性运动，幅度较小，且左侧无运动。定量分析显示，兴奋期间左右两侧的振幅、运动距离和潜伏期无显著差异，而抑制PCs诱发的运动幅度和距离显著小于兴奋。这表明只有通过PC兴奋上调简单锋电位活动才能引发剧烈的双侧对称胡须运动反应。
3.2 单独刺激兴奋性或抑制性小脑核（CN）神经元均不能持续触发节律性双侧胡须运动模式
选择性刺激右侧CN的兴奋性（谷氨酸能）或抑制性（GABA能）神经元。兴奋性CN的刺激可诱发双侧运动，但模式不一致，在群体水平上观察到左侧胡须持续伸展，右侧短暂伸展。抑制性CN的刺激导致不一致的双侧运动，主要在刺激偏移附近发生，群体变异性大。刺激兴奋性或抑制性CN均未能重现PC兴奋所诱导的稳健节律模式，表明小脑皮层通过协调多个CN亚群来构建最终的节律性胡须运动指令。
3.3 红核（RN）神经元兴奋触发双侧对称的非节律性胡须运动
刺激左侧RN可靠地诱发胡须运动，主要表现为右侧（对侧）的持续伸展，左侧也出现伸展但变异性更大。振幅和运动距离在左右两侧无显著差异。这表明RN可能诱导胡须运动中点的对称性变化。
3.4 上丘（SC）神经元兴奋触发双侧对称的准节律性胡须运动
刺激左侧SC导致右侧胡须初始伸展，并在群体水平上表现为持续的基线伸展位置并叠加了更快的运动成分。左右两侧的振幅、距离和潜伏期无显著差异。这表明SC可能以准节律方式调节胡须中点的双侧对称变化。
3.5 网状结构（RF）神经元兴奋触发快速双侧胡须运动
刺激左侧RF在刺激开始后很快引起右侧胡须伸展和左侧胡须收缩的初始不对称运动，随后右侧出现更快的抖动周期。这种初始不对称的双侧反应具有短潜伏期，突出了RF对FN和胡须的即时效应，证实了RF在产生快速抖动成分中的作用。
3.6 三叉神经脊束核（SV）神经元兴奋触发慢速双侧胡须运动
刺激右侧SV导致相反方向的运动：左侧初始收缩，右侧初始伸展。右侧出现两个抖动周期，而左侧仅一个较慢周期。初始反应后出现持续的双侧伸展。左右两侧振幅相似，但运动周期数不同。这表明SV参与了一个初始不对称反应，随后是持续的双侧伸展。
3.7 小脑刺激触发宽频率范围的胡须运动，与其所有下游靶点的联合效应相似
对刺激期间胡须运动的频谱分析显示，PC兴奋和抑制诱导的抖动频率范围在2-20赫兹，覆盖了自发抖动的自然频率范围。CN刺激也在2-20赫兹范围内诱发抖动，但兴奋性和抑制性CN的峰值频率不同。RN刺激主要诱发低频运动（约2赫兹），SC刺激在9和15赫兹出现峰值，RF刺激在2-20赫兹有多个峰值，SV刺激在8和15赫兹有峰值。将RN、SC、RF、SV刺激的功率谱相加，产生的频率范围（3-25赫兹）与自然抖动和小脑刺激观察到的频率范围高度重叠。时频分析（小波变换）进一步表明，小脑刺激诱导的振荡运动频率范围与其下游运动前核团诱导的范围相同。
3.8 RF和SV兴奋期间的胡须运动显示出不同的初始位移方向趋势
通过计算刺激开始后最初25毫秒内速度曲线下面积（AUC）来量化初始位移方向。对于PC兴奋/抑制、兴奋性CN刺激和RN刺激，左右AUC无显著差异。RF刺激在3/4的小鼠中显示出负到正（收缩到伸展）的左右转变趋势，而SV刺激在4/7的小鼠中显示出相反模式。虽然未达到统计显著性，但这种跨动物的一致性趋势表明RF和SV刺激可能使初始胡须偏转偏向相反方向。
4 讨论
本研究通过刺激小脑及其下游脑干核团中的多种神经元类型，研究了由此产生的胡须运动学。发现不同的运动前核团诱导不同的抖动行为，因为它们分别调控运动学的不同要素。这表明小脑通过利用多个特化的下游通路来调节胡须运动的各个方面。小脑皮层PCs的兴奋诱导持久节律性双侧胡须运动，其功率谱包含多个峰值。直接刺激CN（兴奋性或抑制性）可诱发双侧反应，但其模式与PC驱动的高稳健节律性抖动有根本不同，表明小脑皮层通过发散-汇聚架构主动协调CN输出，而非简单门控。RN刺激可靠诱发胡须运动，表现为单个相对较慢的抖动周期。SC刺激导致双侧伸展的基线位置并叠加更快成分。RF的短暂（100毫秒）刺激诱发初始不对称周期，表明维持多周期节律性抖动可能需要持续兴奋性输入。SV刺激诱发不对称运动， ipsilateral侧有两个周期。频谱和时频分析表明，小脑和运动前核团刺激共同覆盖了自发抖动的频率范围。这些结果支持小脑输出通过多个运动前通路发散，以调节胡须行为的不同组成部分，这些通路最终汇聚到FN以塑造最终的运动输出。研究的局限性包括光刺激的非生理性、头部固定准备以及缺乏同时的神经记录。总之，该研究首次揭示了控制啮齿动物胡须的网络中主要枢纽被操纵时所诱导抖动模式的复杂性，小脑PCs的神经元活动可能通过以高度协调的方式差异调节其下游靶点的活动来微调精确的胡须运动。
