在運動過程中構建和獲取個體所處環境的資訊是促進生存的一種重要適應能力。
12月27日，蘇炳添速度研究與訓練中心揭牌儀式在暨南大學舉行，該中心將以田徑（短、跨、跳）訓練的前沿技術探索為主攻方向。蘇炳添表示，努力將中心建成亞洲領先、世界一流的綜合性短跑訓練基地，推動運動科學化的理念。在今年的東京奧運會上，蘇炳添跑出了9秒83的成績，成為第一個跑進奧運會男子百米決賽的亞洲人，也突破了亞洲紀錄。 運動速度是用來計算個體位置的基本輸入，為了計算個體在空間中的位置，需要不斷地識別個體的速度，那麼大腦是如何知道身體在運動過程中的移動速度呢？
美國斯坦福大學Jordan S. Farrell等研究人員使用在體鈣成像、電生理學、光遺傳學、細胞追蹤和組織學技術，發現下丘腦乳頭體上核中的神經元調節運動和海馬活動，該核團在功能上位於來自高階認知中心的輸入和運動核所在的下游中腦之間。
這些神經元編碼未來的運動速度，並在受到刺激時有效地驅動運動。由於這些運動神經元在支援空間導航的大腦區域具有廣泛的軸突，因此這種細胞型別會將這些資訊選擇性地分配到需要速度知識的區域。2021年12月16日，Science 發表了這一研究成果。
SuM神經元的放電活動與運動速度和海馬θ神經元活動有關
哺乳動物的運動與海馬θ振盪的發生密切相關，θ波節律在自我產生運動開始之前就開始了，並且與速度增加的幅度相關。海馬透過在過去、現在和未來的位置上將定位編碼神經元元件的活動暫時組織成軌跡，θ振盪被認為在空間導航過程中輔助認知操作。
θ波與速度的緊密耦合可能是自我產生的運動和θ控制之間的共享神經電路的結果，從而提供了潛在的速度訊號。內側隔是海馬θ活動的關鍵區域且與運動有關，此外，最近的研究表明，下丘腦後部的乳頭上核(SuM)在喚醒、峰時協調和識別新奇事物方面發揮作用。
作為一種被提議的θ控制器，下丘腦乳頭上核（SuM）的神經活動可能也與運動有關。 研究人員利用來自大鼠的電生理資料，首先明確了SuM神經元的放電活動如何與運動速度和海馬θ神經元活動有關。
與以前在中腦運動區(MLR)的觀察類似，研究人員發現很大一部分放電速率與運動速度顯著相關的SuM單位，且其中大多數正相關。 此外，SuM“速度細胞”與未來速度(平均偏移1.2s)的相關性比實時速度更密切。接下來，研究人員發現了SuM動作電位和海馬θ波之間的耦合。30.7%的單位觀察到與海馬θ振盪和θ節律峰電位高度一致。通常在CA1θ波谷附近激發的SuMθ細胞，有輕微的前瞻性偏向。大多數SuMθ細胞與運動速度呈正相關。
圖1. SuM表徵速度和海馬θ振盪
光遺傳學操控SuM控制運動和海馬LFP
接下來，研究人員調整了時間偏移，99%的SuM單位的激發速率受到速度的調製。鐳射脈衝的頻率在8和12 Hz能夠可靠地夾帶海馬區域性場電位(LFP)。 為了測試SuM 在運動和θ活性中的功能參與，研究人員利用光遺傳學啟用或抑制SuM神經元，發現光遺傳啟用驅動運動，而光遺傳抑制使65.6±0.6%的受試者運動停止。
對SuM的光遺傳操作有力且雙向地控制運動，但並不抑制自發的海馬θ波。
圖2.光遺傳學操控SUM控制運動和海馬LFP
運動啟動和LFP夾帶的細胞型別相關性
考慮到SuM細胞型別的異質性，研究人員進一步使用Tac1-Cre小鼠結合病毒順標及逆標策略對不同的細胞型別進行分群標記，以確定運動控制以及SPEK和LFP夾帶是否依賴於細胞型別。研究發現，兩個細胞群體的軸突輸出是相似的，支配著已知和預期的SuM靶區。
在功能上，SuMTac1+細胞啟用在100%的試驗中有力地推動了運動但沒有夾帶海馬LFP。這種運動是相對緩慢和穩定的，與探索性運動一致。相反，SuMTac1-細胞啟用較弱地控制運動，但精確地控制了海馬在8 Hz和12 Hz的頻率。
圖3.運動啟動和LFP夾帶的細胞型別相關性 海馬腦區細胞群受SUM細胞型別依賴的不同調節
最後，研究人員確定了SuMTac1+和SuMTac1−神經元是如何改變海馬神經元的放電頻率並控制脈衝時序的。平均而言，兩種SuM細胞型別的啟用都增加了運動過程中海馬單位的放電速率，並導致相似比例的單位具有顯著的放電速率變化。 刺激SuMTac1+的效果，與自發調速的幅度有關，即正相關速度單位的放電頻率隨光遺傳刺激而增加，而負相關細胞的放電頻率隨光遺傳刺激而減少。
根據速度和鐳射計時作為輸入，對海馬速度、細胞放電率進行建模，發現在SuMTac1+刺激過程中對放電速率進行建模比在抑制情況下對SuMTac1-刺激過程中的建模產生的誤差要小得多，這說明SuMTac1+刺激對運動和海馬細胞放電速度的影響是耦合的。
在亞秒的時間尺度上，研究人員還確定了海馬脈衝計時是否相對於每個鐳射脈衝發生了改變。SuMTac1-啟用在更多的單元中引入了尖峰定時，具有更大的平均影響。 此外，SuMTac1−的啟用增加了接近每個光脈衝終止的大多數單位的放電速率，而SuMTac1+的啟用有混合反應且SuMTac1+刺激的效果取決於該單位的速度相關性，
因此正相關的海馬速度細胞更有可能在鐳射脈衝開始後不久被激發，而負相關的細胞則受到抑制。 在這兩種細胞型別的啟用中，光遺傳夾帶的大小和自發的θ夾帶的大小之間都觀察到了顯著的相關性。
圖4.海馬腦區細胞群受SUM細胞型別依賴的不同調節
結 論
Jordan S. Farrell研究團隊確定了齧齒動物下丘腦上核（SuM）中與未來運動速度高度相關的神經元，並在啟用時可靠地驅動運動。在表達Tac1（P物質）的（SuMTac1+）神經元被特異性識別能夠強有力的控制運動，這些神經元的啟用選擇性地控制了速度調節的海馬神經元活動。 相比之下，Tac1缺陷（SuMTac1-）細胞對運動的調節很弱，但能有效地控制海馬神經元的脈衝時序，並足以誘導區域性網路振盪。
這些發現強調，下丘腦上核（SuM）不僅調節基本的運動活動，而且還以一種可能支援空間導航的方式選擇性地塑造海馬神經活動。
原文連結：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abh4272?
參考文獻
Farrell JS, Lovett-Barron M, Klein PM, Sparks FT, Gschwind T, Ortiz AL, Ahanonu B, Bradbury S, Terada S, Oijala M, Hwaun E, Dudok B, Szabo G, Schnitzer MJ, Deisseroth K, Losonczy A, Soltesz I. Supramammillary regulation of locomotion and hippocampal activity. Science. 2021 Dec 17;374(6574):1492-1496. doi: 10.1126/science.abh4272. Epub 2021 Dec 16. PMID: 34914519.
編譯作者：zouki（brainnews創作團隊）
校審：Simon（brainnews編輯部）
