運動對于所有生物個體都十分重要，從動物基本的覓食行為，到躲避天敵的逃跑行為，這些都受到大腦神經環路的支配，那么是否還有很多關于大腦調控運動的未解之謎呢？
科研發現神經環路控制身體運動和協調四肢的位置起到十分重要的作用，對于帕金森病也有著十分重要的意義。

中腦運動區（MLR）以前被認為只控制脊椎動物的行走和其他形式的運動，近期由瑞士巴塞爾大學Friedrich Michel生物醫學研究所和生物中心發表在Cell上的題為“Functional diversity for body actions in the mesencephalic locomotor region.”的文章，在這項對小鼠的研究中，發現中腦運動區也調節姿勢變化和其他運動。這項新研究通過使用Inscopix自由行為顯微鈣成像系統觀察中腦運動區（MLR）神經元不同群體的興奮性發現兩種在空間上混雜的谷氨酸能群體——一種連接脊髓，一種連接基底神經節。這項新的研究表明，那些直接連接到脊髓的細胞參與調節身體伸展和姿勢變化，這可能是啟動運動所必需的，還可能對緩解藥物無效的帕金森病患者的姿勢和步態問題具有啟示意義。
正文

運動對于所有物種的生存都至關重要，是整個身體的地面移動的方法。它使人們能夠與環境進行多種形式的可控互動，包括探索，如尋找食物，以及應對緊急的反應，如逃離危險。無論選擇何種運動形式，其成功完成都需要整個身體進行受控的姿勢調整，協調四肢以實現身體的轉移，以及有效抑制與運動不相容的其他肢體動作。這些行為觀察提出了一個現象，即涉及運動和其他形式身體運動的選擇和調節的潛在神經元環路機制。
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中腦運動區域(MLR)通過整合了許多輸入的信息并投射到下行和上行的靶點，結合了運動調節的各種重要屬性。MLR的歷史定義是功能性的，對它的電刺激可以引發全身運動，速度和步態隨著刺激強度的增加而增加。在這些觀察之后，出現了一些與MLR功能相關的問題，即如何確定MLR的精確位置以及如何確定負責觀察到的效應的神經元類型。解剖學上，MLR的功能定義包括中腦區域，包括腳前額核（PPN）、楔狀前核和楔狀核的吻尾毗鄰區（pCnF和CnF）以及相鄰的中腦網狀結構（mRT）。這些區域包含混合的谷氨酸和GABA能神經元，PPN也包含膽堿能神經元，需要一種策略來解剖和理解MLR功能的位置和神經遞質身份。

PPN的研究具有臨床意義。應用PPN腦深部刺激（DBS）改善帕金森病步態和平衡癥狀產生了不同的發現。在一篇綜述文章強調，盡管多年來一直在進行臨床研究，但PPN區域的功能多樣性可能是缺乏改善帕金森�。≒D）癥狀的應用策略共識的關鍵原因（Garcia Rill et al.，2019）。總之，雖然CnF-vGlut2神經元可以在逃逸環境中驅動運動，但相鄰區域（包括PPN）功能的結果無法協調。這些不同的觀察結果強調，鑒于只有一小部分MLR神經元編碼運動，有必要更好地描述該中腦區域的功能性神經元多樣性，也涉及其他運動行為。此外，在運動中考慮速度調節和肢體協調之外的其他方面也很重要，要知道它的成功執行還需要姿勢調整和其他運動程序的抑制。

在這里，作者基于目標連接可能與功能相關的前提，確定并功能性解剖谷氨酸能MLR亞群。作者發現，空間鄰近的MLR-vGlut2神經元根據軸突靶點、轉基因標記物表達、神經元活動和行為中的作用分離不同的神經元群。脊柱投射群體（MLR>SC）不同于以Rbp4Cre轉基因（MLR-Rbp4）特異標記的基底節輸出結構為靶點的上升群體。雖然MLR>SC神經元在直立過程中受到正向調節，但MLR-Rbp4神經元主要在前肢行為抓取和梳理過程中呈現興奮性。光遺傳學實驗證明了MLR>SC神經元在身體伸展中的作用，同時指出了MLR-Rbp4神經元在調節各種行為中的作用。作者得出結論，功能不同的MLR亞群的接近可能解釋了谷氨酸能MLR神經元的不同結果，并為設計新策略以改善涉及PPN區域的PD癥狀提供了重要信息。

結果

MLR-vGlut2神經元單獨的下行和上行群體

作者首先通過下行和/或上行投射確定谷氨酸能MLR神經元的精確位置。作者將具有Cre依賴性條件表達和逆行神經元靶向潛能（rAAV）的腺相關病毒（AAVs）（Tervo等人，2016）注射到選擇的下行和上行MLR投射靶中。作者提供了表達不同標記蛋白的RAAV，這些標記蛋白靶向細胞核（nTag），以便檢測細胞體的位置。作者通過向vGlut2Cre小鼠注射rAAV-flex-nTag變體，將分析局限于谷氨酸能MLR神經元（圖1A）。為了用下行投射靶向MLR-vGlut2神經元，作者將rAAV-flex-nTag1和-Tag2分別注入延髓網狀結構（Med）和SC（見STAR方法）。作為MLR-vGlut2神經元的主要上升靶點，作者將rAAV-flex-nTag3注入嚙齒動物的主要基底節輸出結構——黑質網狀結構（SNr）（Oorschot，1996；Smith等人，1998年）（圖1A）。
Rbp4Cre轉基因標記具有SN投射的谷氨酸能MLR神經元

緊鄰膽堿能PPN神經元的谷氨酸能SN投射神經元群促使作者確定是否能找到遺傳途徑進入這些神經元。作者將AAV-PHP.eB-flex-nTag病毒（一種AAV變體，有效地轉導神經系統）全身注射到表達Cre重組酶的現有小鼠系中（Chan等人，2017年）。作者發現，用于靶向大腦皮層第5層錐體束（PT）神經元的轉基因小鼠系Rbp4Cre（Gerfen et al.，2013）也在緊鄰膽堿能PPN神經元的神經元群中表現出選擇性表達（圖2A）。MLR-Rbp4神經元的定量顯示，mRT和PPN亞區的分布情況比pCnF和CnF更為明顯，吻尾側分布情況與谷氨酸能MLR>SN神經元的分布情況一致（圖2A）。
谷氨酸能MLR亞群的差異作用調節

針對下行和上行興奮性MLR神經元群的可能性，通過Inscopix自由行為顯微鈣成像系統來監測它們的活動，在曠場測試中記錄動物自由活動行為期間的神經發放情況（圖3A）。之前的研究表明，部分MLR-vGlut2神經元的活動可以跟蹤運動狀態，作者首先評估了是否檢測到在運動發作期間優先活躍的神經元。為了確定行為期間的神經元活動變化，作者計算了研究行為期間的平均熒光，并減去未檢測到行為的幀期間的平均熒光，從而得出與靜止事件相比分配給每個神經元的行為調制指數。作者發現，在運動過程中，只有一小部分神經元在運動過程中受到正調制，這一特性與MLR>SC比MLR-Rbp4神經元更相關（MLR>SC:39.3%；MLR-Rbp4:19.9%）。

這些發現提出了MLR>SC和MLR-Rbp4神經元是否在其他行為中出現興奮性的問題。因此，作者跟蹤了其他頻繁自發行為的發生——在曠場中直立、梳理和抓取食物（圖3B）。通過使用高速視頻和加速度傳感器數據的監督學習算法識別行為事件（圖3C）。通過分析MLR>SC神經元的反應（圖3D-3H），作者發現與直立開始相關的熒光信號增加（圖3E）。相比之下，運動的開始或前肢行為的抓取和梳理并未導致總體MLR>SC群體的發放增加（圖3E）。

接下來，作者確定了單個MLR>SC神經元的調制指數及其在四種分析行為中的分布。作者發現，在直立過程中，MLR>SC神經元的發放明顯，而在其他三種行為中，只有少數神經元受到強烈的正向調節（圖3F和3G）。因此，同樣在單神經元水平上，直立過程中的積極調節的影響，而在其他行為中的調節影響可以在一些神經元中檢測到，但要小得多（圖3E-3G）。作者還通過單神經元和單次試驗分析（圖3D）研究了神經元活動與直立期之間的關系。單個MLR>SC神經元在時間和大小上表現出不同的動力學，這在分析在同一行為時間幀上在一只小鼠中成像的多個MLR>SC神經元時可以特別清楚地看出（圖3D）。綜上所述，這些發現表明MLR>SC神經元更傾向于直立。
MLR神經元群體的行為差異解碼

為了進一步探索神經元活動特征與不同行為之間的關系，作者采用了相反的方法。作者提取了所有分析神經元的神經元活動的峰值，并計算了在峰值時間（圖4A）或特定時間內發生的每種行為的概率-單個神經元的時間窗口為2.5s至+5s（圖4B）。作者發現，MLR>SC神經元在動物直立期間強烈反應的概率高，其次是行走，但在抓取和梳理期間很少發現峰值（圖4A和4B）。相比之下，MLR-Rbp4神經元的活動峰值與抓取相關，其次是梳理，而行走和直立表現得很弱（圖4A和4B）�？傊�，這些發現支持了以下觀察：大多數MLR>SC神經元在全身行為期間反應，而MLR-Rbp4神經元在前肢的抓取和梳理行為期間表現出的反應。
MLR>SC神經元調節身體伸展

接下來，作者通過功能互補性缺失和增強實驗研究了MLR>SC和MLR-Rbp4神經元在行為中的作用�？紤]到MLR>SC和MLR-Rbp4群體均表現出與多種行為相關的復雜調節特性的觀察結果，預測每個整體群體的光遺傳學擾動，以測試神經元活動的聯合下調或上調對行為輸出的影響。
MLR-Rbp4神經元通過影響基底神經節來調節行為

為了確定MLR-Rbp4神經元在行為中的作用，作者通過在Rbp4神經元中表達stGtACR2來進行功能缺失實驗（圖6A）。作者推斷，急性降低MLR-Rbp4神經元的神經元活動可能導致行為的普遍去抑制，因為對促進基底節輸出結構的行為抑制的興奮性驅動減少（圖2和S2）。MLR-Rbp4神經元的雙側光遺傳抑制確實導致身體運動不協調（圖6B；視頻S2）。光遺傳學誘導的運動包括整個試驗中具有高度可變運動序列的所有身體部位（圖6B、S7A和S7B；視頻S2），與刺激時小鼠的特定運動無關（數據未顯示）。作者發現，當光刺激仍在進行時，異常光誘導運動停止，并且在激光偏移時或之后未觀察到額外的過度運動（圖6C、S7A和S7B；視頻S2）。對照組小鼠的光照不會引起跟蹤身體部位的速度變化（圖S7A）�？傊�，這些研究結果表明，MLR-Rbp4神經元的光遺傳學抑制導致全身各部位運動輸出的快速失調，這可能是由于MLR-Rbp4神經元和基底節輸出結構之間的生理調信號受到干擾。
討論

運動是一種普遍的動物行為，涉及分布式神經元環路。MLR的累積研究已經引發了關于理解其在自然運動行為中的功能討論，但DBS在難治性PD癥狀方面的應用還不清楚。在這里，作者展示了專門的神經元群在不同形式的身體運動中有反應。作者相信，這些發現為正在進行的爭論提供了線索，并呼吁從根本上更新對中腦區域的神經元功能的觀點。作者將利用inscopix系統繼續研究中腦神經元對運動系統功能和DBS干預設計的影響

參考文獻:

Ferreira-Pinto MJ, Kanodia H, Falasconi A, Sigrist M, Esposito MS, Arber S. Functional diversity for body actions in the mesencephalic locomotor region. Cell. 2021

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