运动皮层在条状体的运动动力学及熟练和不熟练动作的执行中的作用
探究运动皮层在基底神经节与运动动态控制中的关键作用
研究背景及动机
运动皮层（Motor Cortex, M1）在运动生成与调控中的作用一直是神经科学的重要课题。M1与纹状体（Striatum）的相互作用在选择与执行目的性动作上起到关键作用。然而，具体是如何协同这些功能却尚未明确。运动皮层是否是生成运动指令的唯一源头，或者是否仅在运动调控中发挥作用，仍然存在争议。近年来，部分研究提出基底神经节可能是选择与执行动作的核心区域，而非M1。另有研究显示，M1损伤不会显著影响一些简单运动任务，这些发现进一步加深了对于M1功能的理解分歧。为澄清运动皮层在运动生成中的确切角色，Nicholas与Yttri团队（2024）对小鼠M1进行双侧损伤并记录其纹状体活动与运动表现，旨在揭示运动皮层是否对生成与调节不同类型的运动至关重要。
研究来源与发表情况
本文由Carnegie Mellon University生物科学系的Mark A. Nicholas和Eric A. Yttri等人完成，发表于2024年10月23日的Neuron期刊（卷号112，页码3486–3501）。本文为Elsevier公司版权所有，涵盖包括文本数据挖掘、AI训练等相关权利。
研究设计与方法
本文采用双侧M1损伤小鼠模型，观察其运动表现与纹状体活动的变化。研究对象为训练完成两种运动任务（自定步调任务与提示任务）的实验小鼠。M1损伤采用吸引法（Aspiration Lesion），这种方法不仅切断M1所有层级对纹状体的输入，还可以模拟更接近神经退行性病变的效果。通过每日监测行为与神经活动，研究团队精确记录了损伤直接导致的即刻效应，并从多维度深入分析损伤后的行为与神经恢复轨迹。
实验流程
小鼠运动任务训练：首先，实验小鼠被训练完成自主步调与光提示的运动任务。这些任务要求小鼠在一个摇杆上进行特定方向的伸手动作，以获取奖励。在任务执行的同时，研究者记录纹状体的神经活动。
损伤模型建立：在双侧M1区域进行吸引损伤，以切断M1对纹状体的所有投射。损伤后立即对小鼠进行神经行为监测，观察损伤对行为与纹状体活动的直接影响。
行为与神经活动数据收集：研究团队连续每日记录小鼠的运动表现与纹状体神经活动，尤其关注损伤前后不同时期的差异。实验团队使用了丰富的数据分析手段，包括纹状体单元活动分析与行为轨迹的时间动态解码。
研究结果
运动表现显著下降：在M1损伤后的前几天，小鼠表现出严重的运动障碍，表现为伸手任务的执行能力急剧下降。损伤后第一周，小鼠的有效伸手次数显著减少，平均每分钟伸手次数由9.0次骤降至0.23次。尽管损伤约10天后，行为表现逐渐恢复，但并未达到损伤前的水平，且运动轨迹仍表现出显著的变形和不规则。
纹状体神经活动丧失：损伤直接导致纹状体运动相关神经元（SPNs和FSIs）活动消失。损伤前，82%的SPNs表现出显著的运动相关活动，但在损伤后，这一比例显著下降，至损伤第二天仅有不到10%的SPNs能维持运动相关活动。此外，SPNs对运动幅度的调节特性也被损伤抹去，即使行为在后期逐渐恢复，神经活动仍未呈现出损伤前的运动动力学特征。
自发行为中的步态冻结现象：在未训练的T型迷宫实验中，小鼠能够进行基本的行走动作，但在遇到十字路口需改变方向时出现严重的“步态冻结”现象。小鼠在路口停顿较长时间（达68.89秒），且表现为持续中步而非主动停留或梳理行为，这种现象与临床“步态冻结”（FOG）症状类似。
纹状体动态解码能力丧失：通过解码实验，研究者发现损伤前纹状体活动能够可靠预测小鼠手柄的即时位置（平均均方误差为0.018），但在M1损伤后，这一解码能力完全丧失，表明纹状体单独难以承担运动指令生成的功能。
损伤对非目标皮层的影响不显著：作为对照组，研究者还对一组小鼠的顶叶皮层（PPC）进行了类似损伤处理。结果显示PPC损伤对行为表现和纹状体神经活动无明显影响，支持了M1在运动生成中具有更核心的角色。
结论
本研究表明，M1对选择与生成目的性运动具有不可替代的作用，损伤M1导致的运动障碍和纹状体动态丧失进一步印证了这一点。虽然行为在损伤10天后逐渐恢复，但这种恢复是由大脑其他区域的代偿机制导致，并未恢复到原有的神经动态。纹状体的运动调控功能依赖于M1提供的运动指令，而并非独立生成运动。在无M1参与的情况下，纹状体的单一活动不足以维持完整的目的性运动表现。此外，M1在步态调控中的作用与人类FOG症状的神经基础相似，为临床治疗提供了潜在的神经刺激靶点。
研究的科学意义与应用价值
该研究通过精细的实验设计与高密度数据收集，深入揭示了运动皮层在运动生成与动态调控中的核心作用，尤其是其对纹状体活动的支配性影响。研究结果为理解运动皮层与基底神经节在运动控制中的层级关系提供了新视角，同时为步态冻结等运动障碍的神经机制提供了直接证据，具有重要的临床参考价值。此外，该研究首次详细展示了运动皮层损伤后的纹状体动态变化过程，为未来探索运动障碍的代偿机制提供了新的研究方向。