撰稿 | AiBrain 内容团队
排版 | AiBrain 编辑团队

一
研究概述
当动物面临环境规则变化时,前扣带回会参与调控灵活调整的选择行为。但目前我们仍不了解前扣带回如何影响运动皮层,从而重组对规则的表征,并引起相关运动。
MIT的Susumu Tonegawa团队,通过化学遗传学抑制的方法,抑制大鼠扣带回神经元在次级运动皮层的轴突末梢后,发现在规则切换后,大鼠的选择会被干扰。这表明前扣带回的输入对于更新运动皮层中存储的选择所决定的规则是必要的。
事实上,扣带皮层的沉默降低了次级运动皮层神经元对规则的选择性。此外,在规则转换后的错误试验中,扣带皮层神经元的光遗传沉默加剧了随后的试验中的错误。这些结果表明,扣带皮层可以监测运动皮层的行为表征,扣带回-运动皮层环路在适应性选择行为中具有重要作用。相关结果以Cingulate-motor circuits update rule representations for sequential choice decisions为题,发表于8月4日的Nature communications。

https://www.nature.com/articles/s41467-022-32142-1
动物智力的核心特征在于动物行为的层级组织,能够通过灵活的策略完成复杂序列动作的能力。灵长类动物的研究已经表明,前运动区和辅助运动区参与序列动作的规划和执行。近期的研究发现,啮齿类动物次级运动皮层(M2)的神经元能够以相似的方式对序列动作的产生、运动计划、记忆和随即的行为选择价值进行编码,这说明M2的神经元负责维持适应性行为选择的感觉-运动表征。
这些发现让我们追问,M2神经元能够处理任务规则等环境相关信息的环路机制是什么?具体而言,M2的上游脑区如何提供这些信息的,M2环路又是如何处理这些信息的呢?
人类和其他动物的实验表明,当面临规则变化(如任务切换)或处于不确定的条件时,包括前扣带皮层(ACC)在内的内侧前额叶区会参与做出灵活的决策。
然而,尽管有丰富的解剖学证据表明扣带回投射到运动皮质,但仍有一些问题悬而未决,例如: (1) ACC表征任务规则的哪些方面?在该任务中,大鼠需要在单步和两步选择反应之间调整其顺序选择行为。即单步响应和多步响应之间的任务切换,并且此功能使我们能够区分是否在需要增加响应步骤的规则切换中招募了 ACC 环路(即 1 步到 2 步)、响应步数递减(即 2 步到 1 步)或两种类型的规则切换。(2) 当任务规则突然改变时,ACC如何更新规则的神经表征?
为了解决这些问题,Tonegawa团队由此展开了研究。首先,Tonegawa团队设计了一项行为任务,需要大鼠在单步和双步的选择反应下调整自身的序列选择(图1)。在该任务中,大鼠需要在单步和两步选择反应之间调整其顺序选择行为,即单步和多步之间的任务切换。
通过此任务,我们便能够区分ACC参与何种任务序列:步数增加的规则切换(即 1 步到 2 步)、步数减少(即 2 步到 1 步)或两种类型的规则变化。

图1
随后,该团队利用化学遗传学和光遗传学技术干扰了ACC到M2的投射,研究了ACC→M2环路会调节选择行为的哪些方面,并考察了选择行为的哪些方面是由 ACC→M2 回路介导的,以及 ACC 回路如何在规则切换后调节 M2 中的神经活动。
通过结合将环路研究、动物在完成选择决策任务时的行为以及M2中的神经活动测量结果,该团队揭示了ACC→M2环路的功能:当动物做出序列选择反应时,ACC→M2通路会根据规则变化的情况,参与规则表征的灵活更新。具体而言,抑制大鼠的ACC神经元会增加顺序选择中的错误,降低预选期间M2神经元活动的规则选择性,并增强了在第二次选择结果反馈期间,错误的结果引起的M2神经元的活动。

图2
二
作者自述
第一作者日本理化研究所-麻省理工学院(RIKEN-MIT)神经电路遗传学实验室博士后、东京大学研究员Takeuchi说:“7、8年前,我想要研究决策制定的问题时,就启动了这个项目。当时的新研究显示了M2的作用。在这个背景下,我想要研究是什么影响了它的上游环路”。
Takeuchi指出,研究结果不仅显示了适应步数增加这一规则变化需要环路的参与,而且它也引出了一些有趣的新问题。当多步数任务变为单步任务时,是否存在另一个相关的环路呢?如果真的存在,那么该环路与本文讨论的环路是否会相整合呢?如果这个阈值模型是正确的,那么它具体是怎么运行的呢?
三
同行评述
Reviewer #1:
这项研究得到了一些有趣的观察结果,比如规则或动作序列变得更加复杂时需要ACC的参与,但变得更简单时则不需要ACC的参与。同时,编码到M2中的规则仅在同侧选择时被观察到,虽然本文没有深入探讨这个问题,但我认为这是一个很有趣的发现。同样值得注意的是,当ACC失活时,编码会随之减弱。
但是,本文的许多研究结果难以相互呼应,因此很难从这项研究中得出可解读的有力结论。
AiBrain内容团队为大家整理了文章的pdf,如有需要,请公众号后台留言“pdf”或扫码添加AiBrain助手微信获取。
✦往期精彩回顾✦


声明:脑医汇旗下神外资讯、神介资讯、脑医咨询、AiBrain所发表内容之知识产权为脑医汇及主办方、原作者等相关权利人所有。未经许可,禁止进行转载、摘编、复制、裁切、录制等。经许可授权使用,亦须注明来源。欢迎转发、分享。