大鼠前肢运动皮层的产后成熟及其对行为的影响

《Neuroscience》：Postnatal maturation of forelimb motor cortex and its impact on behavior in rats

　　

摘要

在多种物种中，运动皮层在出生后会继续扩张；然而，身体表征发展的时间进程及其对手部动作的影响仍不明确。我们研究了50只4至8周龄的雄性Wistar大鼠前肢运动皮层成熟与前肢行为之间的关系。通过皮层内微刺激来检测运动皮层中的运动表征，并记录腕部背屈肌的运动诱发电位。每周评估握力以及抓取颗粒任务的运动学特征，同时观察腕部背屈肌的形态变化。在4到5周之间，前肢运动皮层开始扩张，随后其内部表征发生重组。在此期间，运动诱发电位的幅度、运动诱发电位与最大诱发电位的比例以及肌纤维直径均有所增加，而皮层内微刺激的阈值则下降。由皮层内微刺激引发的动作从4周时的腕部背屈和肘部弯曲，发展到5周时的手指弯曲，再到6周时手指和肩部的伸展。抓取能力和握力每周都在提升，到6周时趋于稳定。为确定运动区域扩张与前肢运动发展之间的关系，在扩张发生后6周，即8周龄时对扩张区域进行电微损伤处理，结果前肢运动功能退化到6周时的水平。相比之下，对原始区域的损伤则会导致基本的前肢运动功能受损。这些研究结果表明，出生后前肢运动皮层的扩张以及皮质脊髓突触的强化对于熟练肢体运动的成熟至关重要，凸显了皮质可塑性在运动控制发展中的重要性。

引言

控制自主运动的中央神经系统在出生后会经历多种发育过程，且与出生后的运动功能密切相关。运动技能的成熟与皮质脊髓束及运动皮层的解剖结构和生理发育同步进行（Chakrabarty和Martin，2010；Galea和Darian-Smith，1994；Martin等人，2005；Olivier等人，1997）。尤其是皮质与手指肌肉运动神经元之间的连接形成，对手部运动的成熟非常重要（Armand等人，1996）。这一关系已在包括人类、灵长类动物、猫和啮齿类动物在内的多种物种中得到研究（Lemon，1999；Shibasaki等人，1993）。在人类中，通过经颅磁刺激对儿童进行的电生理研究表明，引发运动诱发电位所需的阈值从2岁开始逐渐降低，直至青春期早期（Eyre等人，2000）。同样，对经颅磁刺激的反应中中枢运动传导时间在儿童期也会逐渐缩短，而手部运动速度和技能则会在成年后继续发展（Fietzek等人，2000）。在猫和猴子中的研究也表明，出生后的髓鞘形成和突触成熟有助于随着生长降低肌电图反应的潜伏时间（Chakrabarty和Martin，2000；Flament等人，1992；Martin等人，2004）。

关于皮质运动区域发展的详细研究主要在老鼠和猫身上开展。在出生后的早期阶段，Dooley和Blumberg（2018）发现，处于P0–P20阶段的老鼠，其皮质运动区域尚未作为有效的运动输出结构发挥作用，而是以感觉驱动的活动为主。自发运动主要由皮层下电路产生，皮质脊髓束神经元的放电是在运动开始之后，而非之前，这表明其起源是感觉反馈。在这一时期，活跃睡眠期间的频繁肌阵挛会产生时间上精确的本体感觉反馈，从而强烈激活皮质脊髓束神经元，有助于形成具有体感定位组织的感官映射。值得注意的是，这种早期的感官映射在空间上与后来形成的运动表征相一致，说明在有效的皮质脊髓运动输出形成之前，体感定位组织就已经确定下来（Dooley和Blumberg，2018）。在这一阶段，只有通过使用双环乌头碱抑制γ-氨基丁酸能神经元活动，才能在出生后约2周时观察到前肢运动皮层的出现（Singleton等人，2021）。

皮层内微刺激的研究表明，老鼠的“有效”前肢运动皮层在出生后约1个月出现，并在大约2个月内持续扩张（Young等人，2012；Singleton等人，2021）。值得注意的是，“有效”运动皮层的扩张似乎对前肢运动功能的发展起着重要作用。例如，随着初级运动皮层的扩张，抓取动作的成功率也会提高（Singleton等人，2021）。在猫身上也观察到了类似现象。在猫中，皮质前肢运动区域在出生后45天出现，随后逐渐扩张，从8周到13周，其运动诱导阈值逐渐降低。有效刺激点的数量会随年龄增长而增加，同时对远端运动的表征也会更加精准（Chakrabarty和Martin，2000；Martin等人，2005）。尽管这种扩张并不能完全解释前肢运动的发展——尤其是在人类婴儿中，近端上肢的控制先于远端控制——但这些研究结果表明，运动皮层中身体表征的发育变化对于掌握熟练的前肢运动至关重要（Berthier等人，1999）。不过，由于现有的研究大多只是探讨相对简单的运动技能评估，如抓取成功率，与运动皮层面积之间的关系，因此我们无法完全了解前肢运动皮层扩张与前肢运动质量发展之间的联系（Singleton等人，2021）。所以，运动皮层扩张在多大程度上影响前肢运动控制仍然不清楚。

因此，在本研究中，我们探讨了出生后4至8周龄大鼠的运动皮层发育对其前肢运动质量的影响。我们利用皮层内微刺激来研究前肢运动皮层的表征，并通过对抓取动作进行运动学分析，来评估运动行为的质变情况。此外，我们还研究了部分初级运动皮层损伤对抓取能力的影响，以此来评估运动皮层扩张在前肢运动控制中的作用。

章节摘录

材料与方法

所有动物实验均获得了京林大学动物伦理委员会的批准（批准号I22-02），并在适用情况下遵循ARRIVE指南；任何偏离均在方法部分的相关小节中予以说明。所有实验操作均按照美国国立卫生研究院的《实验室动物护理和使用指南》进行。我们尽力减少动物的痛苦，并尽可能减少使用的动物数量。

手部握力与肌纤维直径

大鼠的体重随年龄增长而显著增加（F (4, 25) = 126.9，p < 0.0001）。在不同年龄组之间，主轴长度（F(4,25) = 0.4021，p = 0.8053）、次轴长度（F(4,25) = 2.121，p = 0.1080）以及脑重量（F(4,25) = 0.3382，p = 0.8496）均无显著差异（见表1）。

手部握力与肌纤维直径的数据来自第2.3节所述分析中使用的大鼠。如表1所示，握力呈年龄依赖性增长，到

讨论

在本研究中，我们分析了4至8周龄大鼠皮质运动表征及抓取动作的年龄相关变化。我们的研究结果支持并拓展了此前关于运动皮层发育的研究（Chakrabarty和Martin，2000；Martin等人，2004；Singleton等人，2021；Young等人，2012），表明运动区域大小随年龄增长而增大（图2A–B），前肢运动功能也逐步精细化（图1A–H）。据我们所知，这是首项

资金来源

本研究得到了日本学术振兴会（KAKENHI，项目编号22K11581）以及京林大学的支持。

作者贡献（CRediT）

Y.I.：设计实验、实施实验、分析数据、撰写论文。Y.F.：参与运动学分析及行为实验。N.O.：进行形态学分析并协助数据分析。M.I.：参与组织学分析及行为实验。M.N.：进行电生理分析。K.M.：参与实验设计及论文撰写。

数据可用性声明

支持本研究的数据可应合理请求从相应作者处获取。

CRediT作者贡献声明

岩崎雅子：写作——审阅与编辑、写作——初稿、可视化、验证、方法学、研究、资金获取。深泽由希：可视化、软件应用。大城奈美：正式分析、数据整理。生友正子：验证、正式分析。丹羽正敏：监督、资金获取。村松健：写作——审阅与编辑、监督、项目管理、资金获取、概念构思。

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文所述工作的已知利益冲突或个人关系。

致谢

作者感谢石井郁夫博士在撰写讨论部分时给予的帮助。同时也要感谢Editage（www.editage.jp）提供的英语语言润色服务。

岩崎雅子|深泽由希|大城奈美|生友正子|丹羽正敏|村松健

日本东京京林大学职业治疗系