运动皮层前肢区相互作用的行为特异性重组：从层级支配到情境依赖的动态调控

《Nature Communications》：Interactions between motor cortical forelimb regions and their influence on muscles reorganize across behaviors

本研究通过光遗传学失活、Neuropixels记录和肌电图技术，揭示了小鼠前肢运动前区（RFA）和初级运动区（CFA）在单肢伸够和自然攀爬行为中相互作用的动态反转。研究发现，RFA在伸够行为中对CFA和肌肉的主导影响在攀爬中被CFA取代，且这种反转与肢体运动形式无关，而是由行为情境特异性调节。同时，细胞类型和皮层层级的特异性影响及神经活动时序差异均随行为改变，表明运动皮层层级关系并非固定，而是适应不同行为需求的动态机制。该成果发表于《Nature Communications》，为理解运动皮层在复杂行为中的组织原则提供了新视角。

　　

运动皮层如何协调多样化的行为？经典理论认为运动皮层遵循严格的层级结构：前肢运动前区（RFA）作为“高阶”区域规划动作，而初级运动皮层（CFA）作为“低阶”区域执行动作。然而，近年来对自然行为的研究表明，运动皮层的组织可能更复杂。例如，长期电刺激或光遗传学激活特定皮层区域可诱发不同物种典型行为（如摄食、攀爬），提示不同皮层区域可能优先驱动特定行为类型。此外，运动皮层神经元活动模式在不同行为间存在显著差异，表明其对外部区域和肌肉的影响可能随行为情境动态变化。这些发现挑战了传统层级模型的普适性，但运动皮层区域间的相互作用是否以及如何随行为背景改变仍不明确。

为解决这一问题，美国西北大学神经生物学系的Andrew Miri团队在《Nature Communications》上发表了最新研究。他们结合光遗传学失活、高通量Neuropixels记录和肌电图技术，对比分析了小鼠在单肢伸够任务和自然主义攀爬行为中RFA与CFA的相互作用模式。研究旨在揭示运动皮层层级关系是否在不同行为中保持稳定，并探讨其背后的细胞与环路机制。

研究主要依赖以下关键技术：

1. 1.
   行为范式：训练头固定小鼠在自定义攀爬轮上进行自我节律的攀爬以获取水奖励，同时对比已建立的单肢伸够任务数据。
2. 2.
   光遗传学失活：在VGAT-ChR2-eYFP转基因小鼠中，通过短暂蓝光脉冲（25 ms）特异性抑制RFA或CFA的GABA能神经元，以量化其对另一区域和肌肉活动的短潜伏期影响。
3. 3.
   神经活动记录：使用Neuropixels 1.0探针同时记录RFA和CFA的全层神经元活动，并结合波形特征将神经元分为宽波形（ putative pyramidal neurons）和窄波形（ putative inhibitory interneurons）群体。
4. 4.
   肌肉活动监测：通过慢性植入电极记录对侧前肢四块肌肉的肌电图（EMG），分析皮层失活对肌肉活动的即时效应。
5. 5.
   数据分析：包括潜伏期影响比较、主成分分析（PCA）评估神经活动时序差异，以及DLAG（Delayed Latents Across Groups）模型解析区域间共享活动模式的延迟与方差捕获。

结果

1. 内源性活动对肌肉影响的不对称性随行为反转

通过光遗传学失活RFA或CFA发现，在伸够任务中，RFA失活对前肢肌肉活动的影响显著大于CFA失活；而在攀爬行为中，这一关系发生反转：CFA失活引起的肌肉活动变化远超RFA。

即使筛选出攀爬中肌肉活动状态类似伸够的试次，上述差异依然存在，表明反转并非由运动学差异驱动，而是行为背景特异性调控的结果。

2. RFA与CFA间相互作用的不对称性反转

在伸够任务中，RFA失活对CFA活动的抑制强于CFA失活对RFA的抑制，符合传统层级模型。然而在攀爬中，CFA失活对RFA的抑制效应显著增强，导致不对称性反转：CFA成为对RFA影响更大的主导区域。

3. 细胞类型与皮层层级特异性互动的行为依赖性

根据波形宽度将神经元分为宽波形（ putative pyramidal neurons）和窄波形（ putative inhibitory interneurons）后，发现行为间细胞类型特异性影响存在差异：在伸够任务中，RFA失活对CFA窄波形神经元的抑制更强；而在攀爬中，CFA失活对RFA窄波形神经元的抑制显著增强。

分层分析进一步显示，CFA失活对RFA浅层（L2/3）窄波形神经元的影响在攀爬中尤为突出，而RFA对CFA各层的影响在攀爬中普遍增强。

4. RFA与CFA活动时序不对称性的行为依赖性

在伸够任务中，RFA活动变化早于CFA，且更多RFA神经元与肌肉活动显著相关。而在攀爬中，CFA与肌肉活动相关的神经元比例反超RFA，两区域活动起始时间差异消失，预运动期活动方差占比也无显著差异。

DLAG模型分析表明，伸够中存在的RFA主导的跨区域成分延迟不对称性在攀爬中减弱，进一步支持互动模式的行为特异性。

结论与意义

本研究通过高时空精度技术证明，运动皮层前肢区（RFA与CFA）之间的功能层级关系并非固定，而是随行为需求动态重组。在伸够任务中占主导的RFA在攀爬行为中被CFA取代，且这种反转涉及对特定细胞类型和皮层层级的差异化调控。这一发现支持“涌现层级”理论，即运动皮层可能根据行为情境灵活分配区域间的主导权，以优化对不同运动回路的下游控制。研究还提出，RFA更接近灵长类背侧/腹侧前运动区，而CFA功能更类似辅助运动区（SMA），为啮齿类与灵长类运动皮层 homology 提供了新依据。该成果深化了对运动皮层在自然行为中组织原则的理解，并为研究神经环路适应性与疾病模型中的运动控制异常提供了新框架。