《SCIENCE ADVANCES》：Complementary cortical and thalamic contributions to cell type–specific striatal activity dynamics during movement
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本研究针对长程输入如何驱动运动环路中细胞类型特异性活动这一关键问题，通过结合跨突触狂犬病毒追踪与双光子成像技术，在小鼠熟练 locomotion 任务中，同时记录了背外侧纹状体（DLS）的直接通路和间接通路中型多棘神经元（dMSNs 和 iMSNs）及其皮层和丘脑输入的动态活动。研究发现 dMSNs 和 iMSNs 及其输入神经元均存在功能异质性亚群，皮层输入偏好编码运动起始/终止信号，而丘脑输入偏好编码运动执行信号，二者以共享和细胞类型特异性的方式向纹状体传递互补的运动信息，尤其揭示了丘脑-dMSN 通路在传递对侧前肢节律性运动信息中的特异性作用。该研究深化了对运动信息在特定细胞类型环路中传递机制的理解。
要完成一个协调的动作，比如优雅地走过一座独木桥，我们的大脑需要像一个精密的交响乐团，不同区域、不同类型的神经元必须精准配合。这其中，大脑深处的基底神经节环路扮演着“指挥家”的重要角色，而背外侧纹状体（Dorsolateral Striatum, DLS）则是该环路接收外界信息的关键“门户”。DLS内主要包含两种功能迥异的神经元：直接通路中型多棘神经元（dMSNs）和间接通路中型多棘神经元（iMSNs）。传统观点认为，dMSNs如同运动的“油门”，促进动作的发起和执行；而iMSNs则像“刹车”，抑制不想要的动作或进行动作切换。这两种神经元都接收来自大脑皮层（如初级和次级运动皮层M1/M2）和丘脑（如丘脑束旁核Parafascicular nucleus, PF）的大量兴奋性输入。然而，这些长程输入是如何驱动dMSNs和iMSNs产生各自独特的活动模式，从而精确控制运动的？这些差异是源于上游输入的特异性，还是由纹状体局部环路塑造的？这些问题长期以来悬而未决。
为了回答这些核心问题，发表在《SCIENCE ADVANCES》上的这项研究进行了一项精巧的实验。研究人员巧妙地结合了细胞类型特异性的基因操作工具、能够进行跨突触追踪的伪狂犬病毒以及活体双光子钙成像技术，在小鼠执行熟练的转梯 locomotion 任务时，前所未有地同时记录了DLS中的dMSNs、iMSNs，以及特异性投射到它们各自的皮层（M1, M2）和丘脑（PF）输入神经元的活动动态。这不仅允许他们观察“谁”在活动，还能追溯活动信号的“来源”。
为了开展这项复杂的研究，作者们运用了几个关键的技术方法。他们利用表达GCaMP6f（一种钙离子指示剂）的腺相关病毒（AAV）或伪狂犬病毒（Rabies virus），分别在Drd1-Cre或Adora2a-Cre转基因小鼠的DLS中特异性标记dMSNs或iMSNs进行成像；或者通过跨突触病毒追踪系统，特异性标记并成像投射到dMSNs或iMSNs的M1、M2或PF神经元。行为学上，训练头固定小鼠在电动圆形梯子上行走，并通过DeepLabCut分析肢体运动轨迹。在数据分析方面，他们自主开发了一种基于递归神经网络（RNN）的 Trial Ensemble Attention Network (TEA-net) 分类器，用于根据神经元在多个单次 trial 中的活动来区分细胞类型，并进一步通过聚类分析揭示功能亚群。
MSNs及其皮层、丘脑输入的群体活动特征
研究人员首先观察了dMSNs、iMSNs以及它们各自的皮层、丘脑输入神经元在运动任务中的平均活动模式。他们发现，dMSNs的活动在运动开始和结束时出现峰值，而iMSNs的活动则在运动执行期间持续较高。有趣的是，它们的输入也呈现出互补的模式：皮层神经元（M1, M2）更多地在对运动起始和终止信号有反应，而丘脑PF神经元则在整个运动期间都保持强劲的活动。这表明，皮层和丘脑输入可能分别偏向于驱动dMSNs和iMSNs的典型活动。通过药理学失活（注射Muscimol）实验，他们进一步证实了M1、M2和PF这三个输入区域确实都对DLS神经元在任务中的活动有贡献，其中PF失活对运动行为和MSN活动的破坏效应最为显著。
基于单次trial神经元活动集合的细胞类型分类
为了更精细地量化不同细胞类型之间活动模式的差异程度，研究团队开发了TEA-net分类器。该分类器能够综合分析神经元在多个单次trial中的非线性时间活动特征。结果显示，dMSNs和iMSNs之间，以及投射到dMSNs和iMSNs的输入神经元之间，虽然能够被区分开来，但分类准确率仅略高于随机水平（约60-65%）。这表明，虽然dMSNs和iMSNs在群体水平上活动模式不同，但在单神经元水平上存在相当大的功能重叠，许多神经元表现出与“相反”细胞类型相似的活动模式。
MSNs和输入神经元表现出异质性和特征性的活动模式
通过基于TEA-net潜在表征的聚类分析，研究人员在每个脑区（DLS, M1, M2, PF）中都识别出了多个功能各异的神经元亚群。在DLS中，富含dMSNs的集群确实更倾向于在运动起始和终止时活跃，而富含iMSNs的集群则更多在运动执行后期活跃。在皮层（M1, M2）中，多数集群对运动起始/终止有反应，但也存在一部分对运动执行有反应的集群。相反，在丘脑PF中，大多数集群在整个运动期间都活跃。重要的是，尽管在M1、M2或PF内部，投射到dMSNs和iMSNs的神经元群体其平均活动模式非常相似，但聚类分析发现，某些特定的活动模式在一种投射类型的神经元中更为常见。例如，在M2中，有一个在运动执行期间活动持续并偏向于投射到iMSNs的集群，以及另一个活动在运动后期增强并偏向于投射到dMSNs的集群。相关性分析显示，皮层集群的活动与DLS中运动起始/终止的集群更相似，而丘脑集群则与DLS中运动执行的集群更相似。
前肢相关的节律性活动具有输入和细胞类型特异性
研究的一个亮点在于将神经活动与具体的运动 kinematics （运动学）参数联系起来。他们特别关注了神经元活动是否编码了动物对侧（左侧）前肢在行走过程中的节律性运动。通过傅里叶分析，他们发现了一小部分DLS神经元的活动节律与前肢运动节律同步，其中dMSNs中的比例显著高于iMSNs。更引人注目的是，在输入区域中，只有极少数皮层神经元（M1, M2）表现出这种节律性，但在丘脑PF中，有相当大比例的神经元是节律性的，而且投射到dMSNs的PF神经元中节律性细胞的比例显著高于投射到iMSNs的PF神经元。进一步分析这些节律性神经元的相位调谐发现，PF中投射到dMSNs的神经元其活动峰值主要出现在 stance phase （站立期，前肢接触梯子时），而投射到iMSNs的PF神经元活动峰值则更多出现在 swing phase （摆动期，前肢抬起向前时）。DLS中的dMSNs也表现出与PF dMSN-投射神经元相似的 stance phase 偏好。这表明，关于肢体运动位置的动态信息，主要是通过丘脑-纹状体通路，特别是丘脑-dMSN这一特异性连接传递到纹状体的。
综上所述，这项研究系统地揭示了运动过程中，皮层和丘脑输入以互补的方式共同塑造纹状体直接和间接通路神经元活动动态的细胞类型特异性环路机制。研究结果表明， corticostriatal （皮层-纹状体）和 thalamostriatal （丘脑-纹状体）输入并非简单地、均匀地驱动所有纹状体神经元，而是通过共享性和细胞类型特异性并存的方式传递信息。皮层输入更倾向于传递关于运动起始、终止的“事件”信号，与dMSNs的活动模式更匹配；而丘脑输入则更多地传递运动执行过程中的持续性信号，与iMSNs的活动模式更匹配，并且其中关于肢体精细运动节律的信息主要通过丘脑到dMSNs的特异性通路进行编码。这些发现挑战了运动信息流仅由皮层主导的传统观点，强调了丘脑输入在实时运动控制中的关键作用。该研究深化了对基底神经节运动环路工作机理的理解，为揭示不同细胞类型在信息处理中的特异性功能提供了新的框架，也为理解相关运动障碍疾病的环路机制提供了重要线索。研究所采用的跨突触追踪结合活体成像以及创新的机器学习分析方法，也为未来解析复杂脑环路的细胞类型特异性功能连接树立了典范。
