大鼠的定时表现需要内侧前额叶皮层与内侧背侧丘脑之间的交流

《Neurobiology of Learning and Memory》：Communication between the medial frontal cortex and mediodorsal thalamus is required for timing performance in rats

时间判断与MD-PL神经环路关系研究。通过可逆失活介导的 rats双间隔时间任务，发现单独失活或阻断 mediodorsal核（MD）和prelimbic皮层（PL）均导致时间判断性能下降，但反应率不变。首次提供MD-PL通讯在时间行为中的必要性因果证据，并扩展了前额叶皮层与丘脑神经环路在高级认知中的作用。

　　

本杰明·J·德科特（Benjamin J. De Corte）| 凯尔西·A·赫斯林（Kelsey A. Heslin）| 内森·S·克雷默斯（Nathan S. Cremers）| 约翰·H·弗里曼（John H. Freeman）| 克里斯塔尔·L·帕克（Krystal L. Parker）

美国纽约市哥伦比亚大学精神病学系

摘要

预测未来事件的发生时间对于适应性行为至关重要，然而支撑这一能力的大脑网络仍不明确。前额叶皮层（PFC）及其在啮齿动物中的对应结构——前边缘皮层（PL）——被认为有助于追踪时间并在预期事件发生时做出决策。基于此，我们可以通过寻找在时间感知任务中与PFC相互作用的区域来扩展对参与时间相关行为的神经回路的理解。丘脑的中背核（MD）是一个强有力的候选者，因为它与PFC之间存在密集的互惠连接，并且广泛参与高级认知功能。然而，目前关于MD在时间感知中的直接作用的数据仍然非常有限，据我们所知，直接证明MD-PFC之间通信对时间感知至关重要的因果数据完全缺失。为了解决这一问题，我们训练了19只雄性Long Evans大鼠完成一个需要决策的双间隔时间感知任务，并测试了分别单独失活MD/PL或使用GABA-A受体激动剂muscimol阻断它们之间通信的效果。所有操作都导致了类似的缺陷：特征性的高斯形状响应曲线变得平坦，而整体响应率保持不变。单次试验分析表明，这并非仅仅是时间控制下的响应爆发范围变宽，而是时间感知行为的基本结构发生了崩溃，响应在试验过程中变得更加均匀分散。这些发现进一步表明MD和PL在时间感知中起作用，并且据我们所知，提供了首个MD-PFC之间通信必需的因果证据。更广泛地说，这些发现为MD-PFC相互作用支持高级认知功能的观点提供了更多证据。时间感知障碍在多种神经精神疾病中很常见，包括精神分裂症、帕金森病、自闭症和双相情感障碍，因此这项工作为这一新路径的作用提供了关键见解。

引言

时间对于认知至关重要。在做出决策时，我们不仅需要选择正确的行动，还需要在正确的时间执行它（Fan等人，2012年）。在形成记忆时，我们不仅编码了发生了什么以及在哪里发生，还编码了事件发生的时间（Tulving，1986年）。甚至我们对因果关系的理解也依赖于识别原因先于其结果的能力（Hume，1739年）。鉴于时间感知的广泛相关性，它是哲学（Mctaggart，1908年）、心理学（Fraisse，1964年）、神经科学（Paton & Buonomano，2018年）以及治疗神经系统疾病认知障碍的临床努力（Parker，2015年）的研究焦点。我们感兴趣的是大脑如何表征时间，尽管时间的重要性显而易见，但我们对这一过程的了解仍然非常有限。

一个主要挑战是，时间感知似乎依赖于一个复杂的大脑区域网络（相关综述见Mondok & Wiener，2023年）。例如，时间感知已在联合皮层、基底节和中脑多巴胺中心得到了广泛研究（Jazayeri和Shadlen，2015年；Mello等人，2015年；Soares等人，2016年）。然而，许多其他区域也被认为与此有关，如海马体（Gupta等人，2019年；Shikano等人，2021年；De Corte等人，2022年）、小脑（Narain等人，2018年），甚至初级感觉皮层（Shuler，2006年）。解释这些区域如何协同工作以调节时间感知是一个困难的任务。

这一挑战因大多数这些区域中的神经元产生的时间相关信号多样性而变得更加复杂（相关综述见Balc?和Simen，2024年；De Corte等人，2022年）。例如，随着学习到的时间间隔的流逝而单调变化发射率的“斜坡”神经元已有充分记录（Chen等人，2017年；Jazayeri和Shadlen，2015年；Leon和Shadlen，2003年；Simen等人，2011年）。然而，也观察到了在特定时间间隔内显示一致高斯样发射轮廓的“时间细胞”（Mau等人，2018年；Mello等人，2015年；Sawatani等人，2023年；Zhou等人，2020年）。此外，还有迹象表明某些神经群体通过独特的非线性发射轮廓来编码时间（Wang等人，2018年；Buonomano和Mauk，1994年；Buonomano和Maass，2009年）。

越来越多的证据表明，前额叶皮层（PFC）及其在啮齿动物中的对应结构——前边缘皮层（PL）对于几秒到几分钟范围内的时间间隔感知是必需的（称为“间隔时间感知”（Matell & Meck，2000年）。人类PFC或PL的损伤会一致地导致各种时间感知任务的障碍（Buhusi等人，2018年；Koch等人，2003年；Wang等人，2018年），上述所有形式的时间相关信号都在这一区域被观察到（Matell和Meck，2004年；Schonhaut等人，2023年；Wang等人，2018年）。鉴于PFC的已知作用，揭示支持时间感知的神经网络的一个原则性策略是寻找在时间感知过程中与PFC相互作用的区域。以往的研究集中在研究前额-纹状体回路在时间感知任务中的作用（Buhusi和Meck，2005年；Matell和Meck，2004年），数据表明PFC编码时间的流逝，而纹状体利用这些信息来适当地调整决策时间（Matell等人，2003年；Mello等人，2015年）。最近的数据表明，前额叶皮层和丘脑在功能上相互作用以促进时间感知表现（Parker等人，2017年；Wang等人，2018年），但丘脑的具体核团及其与PFC的相互作用仍有待确定。

丘脑的中背核（MD）是丘脑参与时间感知的一个强有力的候选者。MD和PFC在物种间存在密集的互惠连接，包括在啮齿动物中的PL（Alcaraz等人，2016年；Georgescu等人，2020年；Ray和Price，1993年）。此外，MD-PFC相互作用在多种认知功能中起着重要作用，包括执行功能和工作记忆（Bolkan等人，2017年；Golden等人，2016年；Markowitsch，1982年；Parnaudeau等人，2018年；Per?kyl?等人，2017年）。重要的是，MD本身已被证明对于时间感知是必需的（Lusk等人，2020年；Yu等人，2010年）。

然而，关键问题仍未解决。尽管MD和PFC都被认为与时间感知有关，但大多数关于它们功能相互作用的先前证据都是相关的，通常是在操纵一个区域后监测另一个区域的任务相关活动变化（Alexander和Fuster，1973年；Parnaudeau等人，2013年）。虽然最近的因果研究表明MD-PFC通信在认知过程中起作用，例如情境整合（Marton等人，2018年）和任务切换（Mukherjee等人，2021年），但MD-PL通信是否对时间感知行为必不可少尚未确定。

在当前研究中，我们使用了“峰值间隔程序”这一成熟的时间感知决策任务来解决这些空白（Roberts，1981年）。在这个任务中，一个提示的开始指示受试者在特定时间间隔过后做出响应（例如，音调持续8秒）。经过训练的大鼠的响应将集中在提示对应的间隔时间内，从而提供了一个简单的评估，说明决策是如何受时间引导的。我们训练大鼠完成这个任务，然后使用可逆失活方法来测试两个具体假设：首先，单独失活MD或PL会损害时间感知表现；其次，阻断MD-PL通信也会导致缺陷。对于后者，我们采用了功能断开设计。这种方法不仅允许我们进一步测试MD和PL在时间感知中的必要性，还提供了首个因果测试，以确定MD-PL通信是否对时间感知行为必不可少。

章节片段

MD和PL对时间感知表现是必需的

如图1所示，我们首先评估了丘脑的中背核（MD）和前边缘皮层（PL）各自是否对时间感知表现必不可少，并采用被试内设计来询问不同区域的失活缺陷是否有所不同。具体来说，我们训练了九只大鼠完成一个称为“峰值间隔”程序的时间感知任务（图1A；Roberts，1981年；Swanton和Matell，2011年；De Corte等人，2018年）。在这个任务中，试验从呈现一个提示开始

讨论

我们的数据表明，丘脑的中背核（MD）、前边缘皮层（PL）及其相互作用对时间感知表现是必需的。单独失活任一区域或阻断它们之间的通信都会破坏时间感知，而不影响响应所需的整体动机或运动功能。除了扩展了之前关于每个区域在时间感知中作用的研究外，这些结果据我们所知提供了首个因果证据，证明MD-PL通信对时间感知行为是必需的。

行为训练

所有训练方案均严格遵循De Corte等人（2018年）的方法，并符合爱荷华大学动物护理和使用委员会的指南以及赫尔辛基宣言。动物与笼友一起饲养，在12小时光照/黑暗周期下生活，每天提供15-20克食物。我们在标准操作室（MedAssociates）中训练了雄性Long-Evans大鼠（总数n = 19只），并适度限制水分摄入。监测并保持体重在未受限制水平的90%。

作者贡献声明

本杰明·J·德科特（Benjamin J. De Corte）：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证，监督，软件，资源，项目管理，方法论，研究，资金获取，正式分析，数据管理，概念化。 凯尔西·A·赫斯林（Kelsey A. Heslin）：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，方法论，研究，数据管理，概念化。 内森·S·克雷默斯（Nathan S. Cremers）：撰写 – 审稿与编辑，软件，正式分析，数据管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。