清醒小鼠中胡须感觉运动皮层与橄榄小脑模块（olivocerebellar module）的时间动态：wS1与wM1输入对Crus I小脑神经元招募潜伏期及前向动态模型时序的影响

《Frontiers in Cellular Neuroscience》：Temporal dynamics between the whisker sensorimotor cortex and the olivocerebellar module in awake mice

　　

引言：大脑皮层与小脑之间长程双向连接的精确定时仍是阐明二者各自及整合功能的关键因素。小脑通过众多脑-小脑闭合环路在运动和非运动领域发挥关键作用，这些环路支持不同形式的运动协调；其中各类小脑神经元的反应时序可能构成神经计算的重要成分。
方法：在本研究中，研究人员调查了小鼠胡须系统在胡须垫电刺激期间的大脑感觉运动皮层及相应小脑区域（Crus I）。此外，研究人员分析了在胡须垫（Wh）、体感（wS1）和运动（wM1）皮层电刺激期间，Golgi细胞、Purkinje细胞（PC）、深部小脑核（DCN）神经元和下橄榄（IO）神经元的放电。
结果：研究人员证明，虽然外周Wh刺激在相同早期潜伏期（约3 ms）诱发皮层、小脑和IO反应，但当信号由wS1刺激引发时，橄榄小脑回路内的传递较外周输入更慢；当刺激wM1时甚至更慢。
讨论：研究人员讨论了关于传出拷贝（efference copy）和这些回路内前向动态模型（forward dynamic model）传递的不同可能性，并推测wM1输入进入橄榄小脑回路的相对减慢反映了与最终运动命令精细加工相关的计算需求增加。
要点：胡须垫电刺激诱导小脑（Crus I）和感觉皮层（wS1）快速（3 ms）激活。胡须垫电刺激按连续时序招募Crus I-II的Golgi细胞（2.9 ms）、PC简单峰（simple spike, SS）（3.5 ms）、下橄榄（IO）神经元（3.6 ms）、深部小脑（DCN）神经元（4.7 ms）和PC复杂峰（complex spike, CS）（11.3 ms）。wS1电刺激招募相同小脑神经元，但时序不同：Crus I-II的Golgi细胞（5.7 ms）、PC的SS（7.4 ms）、DCN神经元（5.6 ms）、PC的CS（17.1 ms）和IO神经元（6.0 ms）。运动皮层（wM1）电刺激在更长时间框架内招募PC的SS（9.6 ms）、PC的CS（23 ms）、DCN神经元（16.5 ms）和IO（7.8 ms）的效率远低。结果提示，胡须外周输入进入小脑回路的最快传递时序与来自wS1和wM1的较慢输入在时间上整合，为胡须运动前向动态模型的表达提供多个整合时间动态框架。

研究背景：执行熟练动作需要精确运动规划，并由分布式长程神经回路支持。有效感觉运动整合依赖神经活动的时间协调，特别是互联区域间spike timing。感觉运动皮层与小脑相互作用日益被认为必要，但cortico-olivo-cerebellar loop中反馈和前馈信号的精确定时与整合仍不完全清楚。测量神经通路传递延迟对表征功能重要；小脑参与感觉运动协调、预测和学习，神经编码部分依赖spike timing。皮层与小脑密集双向连接，交互时序可能是整合功能的关键决定因素。小鼠胡须系统是主动感觉的成熟模型，wS1和wM1参与控制节律性whisking，脑干vIRtPV抑制性神经元形成振荡器并与运动皮层和DCN相连。小脑PC活动与whisker运动时间相关，DCN接受抑制和兴奋输入以塑造运动输出时序。胡须作为移动传感器，Crus I的PC与自发whisking同相，SS通常先于whisking起始约30–40 ms；DCN在protraction与retraction中招募潜伏期不同。Whisking可达约10 Hz，8 Hz共振频率对应小脑-胡须环路，8 Hz电刺激也是诱导小脑可塑性的偏好频率。外周胡须输入经三叉神经核传至wS1、小脑和IO；wS1也能向橄榄小脑系统发送皮质信号。Proville等显示wS1和wM1在pontine nucleus的标记终末空间分离，并报告Crus I中Golgi细胞和PC的二突触招募。尚未探索DCN神经元放电行为及电刺激Wh、wS1、wM1时IO可能激活。因此，研究人员用单脉冲电刺激Wh pad、wS1和wM1，比较PC、DCN、Golgi和IO激活潜伏期；基于前向动态模型框架，假设感觉再传入在小脑回路内比运动传出拷贝更早处理。

关键技术方法：20只8月龄雄性小鼠，实验经University of Mons伦理委员会授权。研究人员在清醒小鼠中进行慢性LFP和单单位记录，使用石英-铂/钨微电极和7通道Eckhorn微驱动器。电刺激Wh pad、wS1和wM1，单相恒流矩形脉冲0.2 ms。记录Crus I-II PC层（zebrin+）、DCN（interposed nucleus）和IO；用Hall-effect传感器记录胡须运动；以DiI和电解损毁进行组织学验证。统计以小鼠为独立生物单位，采用R 4.5.0和Spike2分析。

研究结果：
3.1 wS1 and crus I LFP induced by whisker pad stimulation：通过胡须垫单脉冲刺激并记录wS1与Crus I LFP，发现wS1首个负LFP成分反转，Crus I N2峰代表小脑皮层激活。动物水平LFP潜伏期wS1为3.1±0.1 ms，小脑为2.9±0.2 ms，配对差0.19 ms，不显著。说明最早wS1与小脑LFP反应均约3 ms窗口，但未建立严格同时。
3.2 Whisker movements induced by whisker pad, wS1 and wM1 stimulation：刺激Wh、wS1和wM1均诱发小于2 mm的protraction。运动起始潜伏期显著不同：Wh 56.5±6.4 ms，wS1 52.3±6.4 ms，wM1 24.0±5.1 ms。wM1显著短于Wh和wS1，Wh与wS1无显著差异。
3.3 Recruitment of olivo-cerebellar neurons by wS1 and wM1 electrical stimulation：在wS1刺激期间稳定记录70 PCs、71 DCN、40 Golgi、42 IO；其中29 PCs、28 DCN、25 Golgi、38 IO响应wS1。对12 PCs、9 DCN、17 IO比较wM1与wS1，少于50%被wM1招募。
3.4 Recruitment of PC：wS1刺激可短潜伏期招募SS，最短约3.6 ms；PC SS频率由100.06±39.66 Hz升至341.0±151.6 Hz，12只小鼠均增加。wS1刺激下SS和CS平均潜伏期7.4±2.6 ms和17.1±2.8 ms；Wh刺激下为3.5±0.5 ms和11.3±1.3 ms，CS晚于SS，wS1晚于Wh。wM1较难招募，SS 9.9±2.9 ms vs wS1 7.7±2.6 ms，CS 23.1±6.1 ms vs 17.1±2.9 ms；wS1诱发清晰LFP，wM1无或很少。
3.5 Recruitment of DCN neurons：wS1刺激DCN可见短潜伏期2.8 ms低jitter反应及8.0 ms多突触/去抑制反应。DCN频率从54.9±41.9 Hz升至89.1±65.2 Hz，增加持续约350±181 ms；12/28出现相对降低。动物水平wS1 5.6±2.6 ms与Wh 4.7±1.7 ms差异不显著；wM1 16.5±3.9 ms显著长于wS1 5.9±2.6 ms。
3.6 Recruitment of the Golgi cells：记录40个Golgi细胞，平均频率10.4±4.8 Hz，spike duration 1.1±0.1 ms；25个被wS1招募。wS1诱发9.5–15 ms、3–4 spikes的高频burst，首spike潜伏期6.0±1.7 ms，频率约300 Hz，随后沉默33.4±12.4 ms。wS1下Golgi 5.7±1.1 ms早于SS PC 7.7±2.6 ms；Wh下Golgi 2.9±0.4 ms早于SS PC 3.5±0.6 ms。
3.7 Recruitment of the IO neurons：IO呈单spike放电（20±12.3 Hz，n=16）和burst放电（ISI 256.4±205.3 ms，burst duration 6.7±2.6 ms，n=10）。PC CS spikelets与IO burst前两个间隔无显著差异，支持生理关系。IO潜伏期三条件显著：Wh 3.6±0.5 ms，wS1 6.0±1.5 ms，wM1 7.8±2.5 ms；wS1和wM1显著长于Wh，wM1较wS1数值长但不显著。

讨论总结：电刺激相同协议用于Wh pad、wS1、wM1，非生理但可提供可重复信号。wM1运动起始最短约23 ms，wS1约52 ms，Wh约55 ms，与光遗传DCN/PC/红核报道一致；wM1 CS时间与运动潜伏期匹配。与Sreenivasan等光遗传结果有差异，可能因电刺激更强招募wS1抑制性中间神经元，但需进一步实验。外周信号约3.0–3.5 ms到达wS1、Crus I-II和IO。PC SS/CS和IO潜伏期均为外周短于wS1，短于wM1，支持橄榄小脑回路贡献取决于输入来源。IO burst与PC CS spikelet间隔高度相似，支持IO活动为攀爬纤维来源，并对CS spikelet配置施加时间印记。Golgi细胞最早放电，Wh和wS1均诱发短burst；Golgi是颗粒细胞主要抑制输入，受苔藓纤维前馈和颗粒细胞反馈兴奋。外周刺激时DCN兴奋晚于PC，wS1刺激时DCN早于PC，提示rebound disinhibition、攀爬纤维直接DCN作用及多部位可塑性。wM1较wS1更慢招募橄榄小脑回路，支持wS1和wM1来源传出拷贝在橄榄小脑回路中处理不同，可能为前向动态模型提供两个延迟的传出拷贝。DCN输出依次传至wS1和wM1；IO可能作为比较器在不同时间产生误差信号。IO激活到CS起始延迟因刺激来源而异：外周7.9 ms、wS1 10.9 ms、wM1 15.3 ms。该结果识别前向模型计算的时间基础，而非证明前向模型计算本身。wS1与DCN时间约6 ms提示wS1可发送传出拷贝并等待DCN返回输出；wM1较慢可能与其招募小脑反应较弱有关，并与wS1和wM1两条平行但行为不同的皮层运动命令相一致。限制：电刺激非生态、突触非特异，且未探索其他脑干相关神经元，结论需谨慎。

结论翻译：从本研究所观察的时间关系、结合文献及广泛接受的前向动态模型（FDM）框架，可能出现若干情形。
（1）若wS1刺激产生未来运动命令的传出拷贝（EC），该信号约6 ms到达DCN。假设DCN内1 ms延迟及返回皮层约6 ms，脑-小脑环约需13 ms。该时序与将小脑FDM整合入wS1和wM1相关运动处理相容，因为wS1和wM1刺激后胡须运动潜伏期分别约52 ms和23 ms。若EC源自wM1，则约16 ms到达小脑，比推测的wS1来源EC晚约10 ms；wM1-小脑环仍生理可行，FDM信号约29 ms返回，留给wM1足够时间产生protractor命令。
（2）若FDM还需PC直接参与，需加入wS1激活PC（7.4 ms）和PC至DCN传递（约1.5 ms），总环时间约22 ms。此时长太长，不能影响初始wS1输出命令，但仍与wS1向wM1传递相容，在运动反应执行前。
（3）若FDM进一步包含橄榄小脑环，需加入攀爬纤维至PC延迟，总环延长至约39.2 ms（22.1+17.1 ms），对直接贡献wS1或wM1相关运动命令太慢。
（4）或者，若IO作为运动再传入感觉后果与编码FDM预测感觉结局的corollary discharge之间的比较器，wM1相关信号经橄榄小脑环延迟到达可允许在IO水平与更快外周再传入输入比较。
总之，这些推测性考虑提示存在多个相互作用环连接橄榄小脑网络和感觉运动皮层。在此框架内，快速胡须相关外周输入到达小脑，可与来自wS1和wM1的较慢信号整合。这种时序组织可提供FDM的若干可能表达，也可容纳下游脑干通路包括DCN至红核投射的贡献。最后，wM1信号在小脑回路内相对较慢传递可能反映与最终运动命令精细加工相关的更大计算需求。