运动学习过程中背外侧纹状体运动编码的精细化调控机制

本研究通过双光子钙成像技术，揭示了背外侧纹状体在运动学习过程中动态重塑其直接通路(dSPNs)和间接通路(iSPNs)神经元活动的机制。研究人员发现随着小鼠自主跑轮运动的熟练，纹状体神经元从广泛非特异性激活逐渐分化为动作起始(onset)和终止(offset)特异性神经元集群，这种编码效率的提升为理解基底神经节运动控制提供了新见解。

　　

动物如何通过反复练习掌握新动作？这个问题困扰着神经科学家多年。基底神经节作为大脑的运动控制中心，其核心输入核团纹状体在动作学习和执行中扮演关键角色。纹状体包含两类主要神经元：表达多巴胺D1受体的直接通路神经元(dSPNs)和表达D2受体的间接通路神经元(iSPNs)，它们分别促进和抑制运动。虽然已知纹状体存在动作特异性神经元集群，但这些集群如何在学习过程中形成和演变仍不清楚。

为探究这一问题，斯坦福大学Jun B. Ding团队在《Cell Reports》发表研究，通过纵向双光子钙成像技术追踪了小鼠背外侧纹状体(DLS)神经元在运动学习过程中的动态变化。研究人员让头固定小鼠在跑轮上自主运动，记录其8天学习过程中dSPNs和iSPNs的钙信号变化。研究重点关注动作起始(onset)和终止(offset)时的神经元活动模式演变。

关键技术方法包括：1)在Drd1a-Cre和Adora2a-Cre小鼠DLS区注射AAV病毒表达GCaMP6f钙指示剂；2)植入GRIN透镜进行长期双光子成像；3)结合跑轮行为学记录与肢体运动轨迹分析；4)使用CNMF算法提取神经元钙信号；5)建立线性回归模型分析神经元群体编码效率。

研究结果部分：

"纵向成像揭示纹状体钙信号动态变化"

通过追踪相同神经元群体发现，随着学习进展，dSPNs和iSPNs在运动时的激活幅度均显著降低。早期训练阶段，两类神经元在运动起始和终止时都广泛激活；而后期训练中，这种非特异性激活明显减少。

"运动非特异性SPNs的激活减少"

神经元功能分类显示，仅对动作起始或终止特异响应的神经元比例保持稳定，而对两者都响应的"非特异性"神经元比例显著下降。这表明学习过程中纹状体逐渐淘汰低效编码，保留高效的动作特异性神经元。

"SPN运动特异性集群的形成轨迹"

命运分析揭示，后期训练中的dSPN起始/终止集群大多来自早期训练中非特异性激活的神经元。而iSPN集群则表现出独特模式：后期对起始特异的iSPNs早期反而对终止更敏感，反之亦然，显示间接通路存在"动作反转"的编码策略。

"运动特异性SPN集群的精细化"

dSPN集群在训练过程中表现出越来越高的动作间区分度，其起始和终止响应在低维空间逐渐分离。相比之下，iSPN集群从一开始就保持较高的反应一致性，提示两条通路采用不同的学习时间尺度。

"纹状体运动编码效率提升"

尽管激活神经元数量减少，线性回归模型显示群体编码信息量保持不变。计算表明单位神经元的信息传递效率显著提高，证实纹状体通过精简非特异性神经元来优化动作编码。

研究结论指出，运动学习促使纹状体从"粗放式"编码转向"精细化"模式：直接通路(dSPNs)通过逐步分离起始/终止集群来促进特定动作；间接通路(iSPNs)则通过早期"动作反转"机制来抑制不相关运动。这种双通路协同优化使得纹状体能够在不损失信息的前提下，用更少神经元实现更高效的动作编码。

该研究首次揭示了纹状体双通路在运动学习中的差异化重塑规律，为理解帕金森病等运动障碍提供了新视角。发现的动作编码"效率优化"原则可能普遍存在于其他学习系统中。未来研究可进一步探索多巴胺等神经调质如何指导这种选择性强化与淘汰过程。