Inscopix在解密鏡像神經(jīng)元的應(yīng)用

任何運動系統(tǒng)的一個關(guān)鍵功能都是對外界的刺激(包括其他人的行為)做出快速而靈活的反應(yīng)。

假設(shè)對所執(zhí)行和觀察到的行為有強健的表現(xiàn)，那么就會增加許多物種的生存價值，因為它可以提供最佳的行動選擇，來獲得食物或避開捕食者。

然而，哪些神經(jīng)環(huán)路整合了執(zhí)行的和觀察到的動作，以及如何整合，還不是很清楚。

在不同種類的靈長類和鳴禽中，這種相互作用的顯著表現(xiàn)形式是鏡像神經(jīng)元。鏡像神經(jīng)元首先在猴子的運動皮層，然后是后頂葉皮層第四層（PPC4），后來在人類和鳥類的報道中也指出，當個人執(zhí)行特定的動作時，這些鏡像神經(jīng)元觀察到同種人執(zhí)行的相同動作時，它們都會做出可靠的反應(yīng)。基于這些特性，鏡像神經(jīng)元被假設(shè)為具有特定的社會功能，即從根據(jù)觀察到的行為選擇適當?shù)膭幼鞯嚼斫庖鈭D和模仿他人的動作。然而，經(jīng)過多年的研究，鏡像神經(jīng)元是否建立在動作理解的基礎(chǔ)上，或者它們的生理特性是否可以更好地用簡單的、暫時的感覺-運動聯(lián)系來解釋，仍然存在爭議。

如果有可能在基因易馴化的動物模型中訪問潛在的社會學(xué)習(xí)的細胞網(wǎng)絡(luò)，那么找到這些問題的機械解決方案將會帶來巨大的好處。 

因此，科研人員試圖確定在小鼠額運動區(qū)或PPC中是否存在鏡像樣神經(jīng)元。和其他嚙齒動物一樣，小鼠可以在社會上獲得感覺運動和基于恐懼的行為，它們最近證明了研究移情社會學(xué)習(xí)的神經(jīng)生物學(xué)的有效模型。新出現(xiàn)的證據(jù)還表明，嚙齒動物和靈長類動物的后頂葉皮層和運動皮層包括一個支持目標導(dǎo)向行為的幾個方面的大腦皮層網(wǎng)絡(luò)，包括決策，感覺運動轉(zhuǎn)換和運動計劃。嚙齒動物模型還帶來了方法論上的優(yōu)勢，包括在不受限制的受試者中使用Inscopix自由活動超微顯微鈣成像系統(tǒng)進行大規(guī)模的神經(jīng)記錄，這使得在動物自然的行為期間記錄大規(guī)模的神經(jīng)元自我發(fā)放，能夠分析神經(jīng)集合的動力學(xué)。反過來，就可以獨立于實驗者的偏見，揭示由行為驅(qū)動的神經(jīng)群體活動的內(nèi)在特征，例如狀態(tài)空間結(jié)構(gòu)。

在本篇中，科研人員使用Inscopix自由活動超微顯微鈣成像系統(tǒng)(圖1A），在小鼠執(zhí)行或觀察到獲得食物顆粒和跑輪的任務(wù)（圖1B)時，一次對數(shù)百個神經(jīng)元的活動進行成像（圖1C）。科研人員證實觀察者動物在任務(wù)中注意力集中，對視覺刺激表現(xiàn)出可靠的神經(jīng)反應(yīng)。

圖1 自由行為小鼠PPC和M2中神經(jīng)群體成像的實驗范式

通過對行為實驗的記錄進行降維，我們發(fā)現(xiàn)在表演和觀察到的行為過程中，總體反應(yīng)的結(jié)構(gòu)有明顯的差異。這推動了隨后使用洗牌分析和使用廣義線性模型(GLM)的統(tǒng)計建模來量化單個細胞對特定行為的選擇性。所有的測試都表明PPC和M2受到行為行為的強烈驅(qū)動，類似于在更典型的任務(wù)中所顯示的，但這里擴展到了行為自由的動物。另一方面，觀察到的行為的神經(jīng)編碼在兩個大腦區(qū)域都低于隨機水平，即使是在表現(xiàn)有很強相關(guān)性的神經(jīng)元中也是如此。這些結(jié)果表明，測試觀察到的動作的表征發(fā)生在小鼠的頂額環(huán)路之外，或者說嚙齒類動物的這種表征需要視覺以外的額外感覺輸入。

參考文獻:

Tuce Tombaz, Benjamin A. Dunn, Yasser Roudi. Action representation in the mouse parieto-frontal network. Scientific Reports volume 10, Article number: 5559 (2020) 

 

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