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在神经科学领域，明确次级运动皮层（M2）神经元在不同环境中对运动控制变量的编码机制至关重要。研究人员通过在 Y 迷宫、跑轮和开阔场对小鼠进行研究，发现 M2 神经元以依赖和不依赖环境的方式编码自主运动行为，为理解运动控制提供新视角。
在神奇的大脑世界里，运动控制一直是科学家们热衷探索的神秘领域。自主运动（Self-initiated locomotion）作为动物与周围环境互动的基本行为，涉及多个复杂的神经调控过程。目前，虽然科学家们对运动的神经控制已有不少研究，也成功助力了脑机接口（Brain - Machine Interface）的设计，但大多聚焦于单一环境下的运动控制机制。一个关键且尚未解决的问题是，神经元如何在不同环境背景下对同一类型的运动控制变量进行编码。这一知识的缺失，极大地阻碍了通用型脑机接口的发展。
在众多与运动相关的脑区中，次级运动皮层（M2）就像一个关键的 “指挥官”，对控制动物的自主和适应性运动起着重要作用。它如同一个信息枢纽，接收多样的感觉输入，再通过长距离投射将运动控制信号传递到多个运动区域。过往研究虽揭示了 M2 在一些运动任务中的作用，但它在不同环境下，对自主运动中多个运动相关变量的编码方式，依旧是个未解之谜。
为了揭开这个谜团，浙江大学医学院等机构的研究人员踏上了探索之旅。他们巧妙地设计实验，将小鼠放置在 Y 迷宫、跑轮和开阔场这三种不同的环境中，让小鼠自由探索。通过先进的技术手段，研究人员深入观察小鼠的运动行为，并记录下 M2 神经元的活动情况。最终，他们发现了令人惊喜的结果：M2 神经元在编码自主运动行为的控制变量时，既存在依赖环境的方式，也有不依赖环境的方式。这一发现意义非凡，为我们理解大脑如何在不同环境下精准控制运动，打开了新的大门，也为后续脑机接口的优化和发展提供了关键的理论依据。该研究成果发表在《Communications Biology》上。
研究人员开展这项研究时，运用了多个关键技术方法。首先是钙成像（Calcium imaging）技术，通过向小鼠 M2 区域注入 AAV - hSyn - GCaMP6s 荧光钙指示剂，利用微型荧光显微镜对自由运动小鼠的 M2 活动进行成像，从而获取神经元的钙信号，以此来反映神经元的活动情况。其次，他们使用了深度学习和背景减法算法定制的动物运动追踪技术，精确获取小鼠在不同环境中的运动轨迹和速度等信息。此外，还运用了主成分分析（PCA）方法，对 M2 神经元群体活动进行分析，探究不同环境下神经元活动的相似性和差异性。
下面来详细看看研究结果：
- 小鼠在不同环境下的运动模式特征：研究人员把小鼠放在 Y 迷宫、跑轮和开阔场中自由探索 8 分钟，手动标注小鼠的运动、梳理和休息等行为。结果发现，小鼠在 8 分钟内的运动片段数量没有显著差异，但在跑轮中的总运动时间和平均运动片段时间明显长于开阔场和 Y 迷宫，而三种环境下的休息时间和频率并无差异。这表明小鼠在不同行为环境中展现出了不同的运动模式。
- 通过拟合二阶多项式函数对运动相关神经活动进行分类：研究人员利用二阶多项式函数拟合单个神经元在运动事件周围的神经活动，根据拟合曲线的形状和位置，将神经元分为 Pre、onset (+)、onset (-) 和 Post 四类。例如，Pre 神经元的最大活动出现在运动开始前 0.3 - 1.5 秒，而 Post 神经元的最大活动出现在运动开始后 0.3 - 1.5 秒。通过这种方法，成功且稳健地对 M2 神经元的活动模式进行了分类。
- 运动前后活跃的 M2 神经元在不同环境中普遍存在：研究人员对齐 8 只小鼠在运动开始（LST）和停止（LSP）时的 M2 活动并分类。发现大量神经元在运动开始前和停止后活跃，且部分神经元在多个环境中都表现出相似的激活模式。比如，一些神经元在所有 3 个行为环境中都有相似的激活模式，还有些在 2 个环境中相似。这说明这些神经元可能在控制自主运动的起始和停止中发挥关键作用。
- M2 神经元在直线运动期间抑制作用强于激活作用：研究人员对持续运动期间的 M2 神经元活动分析，将神经元分为 locomotion (+)、locomotion (-) 和未分类三组。发现 locomotion (-) 神经元数量多于 locomotion (+) 神经元，且 locomotion (-) 神经元的跨环境表征显著高于随机水平。这表明在不同环境下，M2 神经元在运动过程中更多地表现出抑制活动。
- M2 神经元对速度和加速度的表征有限：研究人员测量小鼠在不同环境中的速度和加速度，并计算神经元活动与速度的相关性。结果发现，只有约 8% 的神经元是速度响应细胞，且很少有神经元能在不同行为条件下稳定编码速度和加速度。这说明 M2 神经元对速度和加速度的表征可能较为有限，且大多具有环境特异性。
在讨论部分，研究人员进一步深入分析了这些结果的意义。他们的研究首次系统地剖析了不同环境下 M2 在自主运动中的活动，发现大量 M2 神经元能稳定地编码运动起始和终止信号，且这些信号在不同环境中较为稳定。而运动激活的神经元大多具有环境特异性。这表明 M2 在控制自主运动行为时，采用了依赖和不依赖环境的双重编码方式。
同时，研究还发现 M2 中与运动起始和停止相关的神经元活动时间，与其他脑区相比有独特之处。例如，M2 中运动起始信号的峰值活动比黑质和纹状体更早，而停止信号的峰值活动则相对较晚。这暗示 M2 在运动控制的起始和停止信号传递中，有着特殊的地位和作用机制。
此外，研究人员还指出，虽然 M2 神经元在运动过程中的活动比休息时高，但与运动起始和终止阶段相比则有所降低。这表明 M2 在运动规划中起着重要作用，但在维持姿势和步态方面的作用可能相对较小。
然而，这项研究也存在一定的局限性。由于实验装置和记录方法的限制，无法检测小鼠的小角度转弯或单个步幅周期。未来的研究可以采用不同的记录方法，进一步探究不同环境对运动皮层中步幅周期、转弯角度等运动学参数及其神经相关性的影响。
总的来说，该研究成功揭示了 M2 中存在依赖和不依赖环境的运动相关神经信号，这些信号共同作用于不同空间环境下自主运动行为的控制。这一发现不仅为神经科学领域对运动控制机制的理解提供了重要的理论支持，也为人工智能等相关领域的发展带来了新的启发，让我们对大脑运动控制的奥秘有了更深入的认识。
