Nature光遗传学探秘：大脑如何控制运动？

现在，霍华德•休斯医学研究所的科学家们表明，与以前认为的相反，大脑这部分的“刹车”，可以加速小鼠运动，而“油门”可以控制它们。通过确定大脑如何控制运动，这一发现有助于解释帕金森氏症患者的系统性运动迟缓。相关研究结果发表在5月2日的《Nature》杂志。

　　

生物通报道：如果，即使你想更快移动，但是你却不能，会怎么样？研究人员认为，决定着我们随意运动有多快（例如穿过一个房间或弹钢琴）的大脑部分，有点像一辆汽车。它有一个加速器使动作更快，也有一个刹车使它们慢下来。现在，霍华德•休斯医学研究所的科学家们表明，与以前认为的相反，大脑这部分的“刹车”，可以加速小鼠运动，而“油门”可以控制它们。通过确定大脑如何控制运动，这一发现有助于解释帕金森氏症患者的系统性运动迟缓，并为某些让患者更流畅地执行日常行动的干预措施，铺平了道路。相关研究结果发表在5月2日的《Nature》杂志。

对于大多数人来说，走快一点是没有问题的，但是帕金森氏症患者难以加快他们的随意运动。本文资深作者Joshua Dudman说：“在一段时间内，科学家们认为，好像只有刹车和油门不起作用。”为了更好地理解这种效果，他和他的同事Eric Yttri，想找出关于“基底神经节（在帕金森病中这个脑区受影响）在控制随意运动中的正常作用”的更多信息。在基底神经节内，有两种主要类型的神经元，已知可促进(加油)或抑制(制动)运动。

在实验中，Yttri和Dudman使用光遗传学技术，在特定速度运动的过程中，激活基底神经节中的神经元。通过用一束激光透过延伸到动物大脑的细光纤，研究人员可以选择性地刺激加油或刹车神经元，以探讨每组神经元如何影响未来的运动。延伸阅读：光遗传学突破：用光控制大脑信号通路；光遗传学揭示大脑回路新见解。

Yttri训练小鼠用它们的前爪移动一个小操纵杆，以得到甜饮料。操纵杆被操纵，这样小鼠就必须做出选择来满足它的渴望。啮齿动物必须足够快地推动操纵杆，才能得到一杯水，但是如果推动过快，则浪费能源，并最终限制了它可以消费的水总量。每天，人们做出类似的关于“他们必须采取运动的多快”的决定——在午餐休息时间决定走到附近餐馆的速度多快。然而，在帕金森患者中，所有动作都慢下来。

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为了测量小鼠正在推动的多么有力，研究人员测量了操纵杆的速度。平均而言，一只小鼠的操纵杆运动需要大约半秒完成。Dudman和Yttri首先测试了特定运动期间在两组神经元添加额外活动的影响。如果根据初始速度预测推动是迅速的，该设备则快速激活基底神经节中的一组或另一组神经元。利用这个过程，研究人员可以刺激小鼠有条不紊地快速推动操纵杆，或减慢未来的运动，这取决于研究人员激活的神经元群体。

这些结果与长期观点是一致的：基底神经节中不同的神经元群体，作为运动的刹车和油门踏板。为了确定这些神经元对运动是否总是产生相同的影响，研究人员想知道，如果在小鼠缓慢推动操纵杆时激活神经元，会发生什么？在这种情况下，打开“油门”神经元不会加快动物的运动。现在，刺激可系统地减缓未来运动。当Dudman和Yttri触发推动缓慢开始时的“刹车”神经元，他们看到了类似逆转的结果。啮齿动物出人意料地开始更快地移动操纵杆系统。

Dudman解释说：“可以让你加速或使你慢下来。”换句话说，这项研究证明释放刹车可加速运动，释放油门踏板可以慢运动，从而表明，我们正在使用两种途径相结合来调节运动速度。想象这个系统如何调整我们的运动，Dudman说，就象一个赛车手翱翔在一条轨道周围。不是加速或减速，司机使用油门和刹车进行控制，但很快。

研究人员想知道，在帕金森病中这种控制系统是否是被中断的。在帕金森患者中，制造化学信使多巴胺的细胞死亡。为了在小鼠中模拟这些细胞的损失，研究人员给动物注射了一种化合物，阻断神经元上的多巴胺受体——模仿多巴胺缺乏。以前足以改变运动速度的刺激，现在却没有影响。

除了澄清基底神经节如何控制运动之外，这些结果对于帕金森疾病的治疗，有着重要的意义。许多病人已被植入设备(脑深部刺激器)，向大脑提供电刺激以提高运动。通过在特定运动过程中选择性地激活刺激，类似于小鼠受过的刺激，这些设备可能让病人访问正常的活动范围。相关阅读：Nature子刊：光遗传学植入装置重要突破。

（生物通：王英）

生物通推荐原文摘要：
Opponent and bidirectional control of movement velocity in the basal ganglia
Abstract: For goal-directed behaviour it is critical that we can both select the appropriate action and learn to modify the underlying movements (for example, the pitch of a note or velocity of a reach) to improve outcomes. The basal ganglia are a critical nexus where circuits necessary for the production of behaviour, such as the neocortex and thalamus, are integrated with reward signalling to reinforce successful, purposive actions. The dorsal striatum, a major input structure of basal ganglia, is composed of two opponent pathways, direct and indirect, thought to select actions that elicit positive outcomes and suppress actions that do not, respectively. Activity-dependent plasticity modulated by reward is thought to be sufficient for selecting actions in the striatum. Although perturbations of basal ganglia function produce profound changes in movement, it remains unknown whether activity-dependent plasticity is sufficient to produce learned changes in movement kinematics, such as velocity. Here we use cell-type-specific stimulation in mice delivered in closed loop during movement to demonstrate that activity in either the direct or indirect pathway is sufficient to produce specific and sustained increases or decreases in velocity, without affecting action selection or motivation. These behavioural changes were a form of learning that accumulated over trials, persisted after the cessation of stimulation, and were abolished in the presence of dopamine antagonists. Our results reveal that the direct and indirect pathways can each bidirectionally control movement velocity, demonstrating unprecedented specificity and flexibility in the control of volition by the basal ganglia.