Nat Neurosci:兴奋性小脑核-橄榄核环路调控小脑运动控制的输出

2023-12-15

前言

骆清铭院士和龚辉教授带领MOST团队发明的显微光学切片断层成像系列技术(MOST/fMOST)作为介观尺度最精准的三维完整器官成像技术,已在神经机制、脑疾病、心脑血管疾病以及药理毒理等科学前沿领域研究中发挥重要作用,并带动了相关标记技术和大数据处理和解析技术的发展。

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文章题目:Excitatory nucleo-olivary pathway shapes cerebellar outputs for motor control

发表时间:2023-07-20

发表期刊Nature Neuroscience

研究团队:荷兰鹿特丹伊拉斯姆斯大学医学中心高振宇教授团队、华中科技大学武汉光电国家研究中心龚辉教授团队

 

 

 

2023年7月20日,荷兰鹿特丹伊拉斯姆斯大学医学中心高振宇教授团队和华中科技大学武汉光电国家研究中心龚辉教授团队合作在国际知名期刊Nature Neuroscience在线发表题为“Excitatory nucleo-olivary pathway shapes cerebellar outputs for motor control”的研究论文。该论文揭示了小脑核-橄榄核(nucleo-olivary)环路能够对快速运动进行协调。激活兴奋性小脑核-橄榄核环路能够诱导浦肯野细胞产生即时的反馈的复杂尖峰信号(complex spike, CS)进行输出

研究团队运用解剖示踪技术显示了从兴奋性小脑核-橄榄核神经元广泛地并行投射到下游运动区,支持小脑内运动输出和内部反馈信号的整合。这条环路能够调控小鼠的快速眼动和头部运动,同时能够通过强大的内部反馈机制限制运动的幅度和速度。该项研究挑战了长期以来关于小脑通过抑制下橄榄核的理论,并为小脑调控高速运动提供了崭新的环路机制。

 

01   鉴定小脑核-橄榄核功能性解剖环路

过往研究显示,内侧小脑核(cerebellar nucleus, CN;又名:顶核, fastigial nucleus, FN)对尾内侧副橄榄核(caudal medial accessory olive, cMAO)有密集的投射。为了鉴定这条脑核-橄榄核(FN-IO)环路的解剖学和功能学性质,该研究团队运用病毒示踪的方法,在VGluT2-Cre或Gad2-Cre小鼠的FN注射AAV9-FLEX-tdTomato,在下游cMAO观察来自FN的谷氨酸能或GABA能轴突末梢。结果显示,兴奋性神经元的投射主要集中在cMAO的内侧(称为mcMAO),而抑制性神经元的投射则主要位于cMAO的外部区域(称为lcMAO)。进一步免疫组化、免疫电镜、电生理实验也证实了上述结论。

 

FN中兴奋性和抑制性投射至cMAO神经元的区域化分布表明,这些FN神经元可能受特定的小脑皮质区域支配,从而形成离散的FN-IO-小脑皮质功能模块。为了验证这一猜想,研究团队运用狂犬病毒逆追策略,发现投射至兴奋性或抑制性FN-IO 的浦肯野细胞主要见于后顶叶小叶IX和X;而将投射到兴奋性FN-IO和抑制性FNI-IO神经元的浦肯野细胞群体叠加,小脑皮层显示出大量解剖学分离的分区。进一步病毒示踪策略提示,FN-IO-小脑皮质可以形成闭环的神经环路

 

02 兴奋性FN-IO-小脑皮质环路调控CS

由于兴奋性FN-IO环路对IO神经元和CS形成的影响尚不清楚,因此该研究团队通过在清醒的小鼠上光遗传激活mcMAO中的浦肯野纤维轴突,发现驱动了小脑蚓叶V–VIII中CS的形成。先前研究报道,浦肯野细胞可以双向调节其简单尖峰放电(simple spike, SS),进而改变CN的输出。因此,研究团队进一步通过光遗传、药理学实验验证了浦肯野细胞的SS能够通过兴奋性FN-IO-小脑皮质环路调节反馈CS活动

 

03 兴奋性FN-IO-小脑皮质环路参与运动控制

接着为了探究该兴奋性小脑核-橄榄核环路的功能特性,该研究团队运用病毒示踪,并进一步结合稀疏标记及fMOST成像技术以单突触分辨率描绘了兴奋性FN-IO神经元的全脑投射,14根单突触的神经元追踪结果显示出兴奋性FN-IO神经元分别投射至运动相关脑区及含中脑和丘脑在内的非运动脑区,参与不同的运动和非运动功能。

 

图片

兴奋性FN-IO神经元投射至脑桥尾侧网状核(pontine reticular nucleus, PRNr)、巨细胞网状核(gigantocellular reticular nucleus, GRN)和脊髓,这提示它们可能参与了快速眼动和头颈部运动。为了验证这一点,研究人员通过光遗传激活了兴奋性FN-IO神经元,短暂地监测到了固定头部的小鼠的眼球朝向鼻部方向的快速运动和上半身向对侧的快速转向。

那么反馈CS对兴奋性FN-IO驱动的运动的作用是什么?于是研究团队激活了兴奋性FN-IO神经元,并抑制了mcMAO神经元,阻断了浦肯野细胞中的兴奋性FN-IO驱动的反馈CS,行为学上小鼠出现过度的快速眼动和上半身运动,说明兴奋性FN-IO环路能够调节运动的幅度和速度

 

该研究团队证明兴奋性FN-IO环路,驱动了浦肯野细胞中的CS,并形成了控制快速运动的小脑运动输出,通过限制运动的幅度和角度实现较高的运动时空精度

 

原文链接:https://doi.org/10.1038/s41593-023-01387-4

参考文献

Wang, X., Liu, Z., Angelov, M. et al. Excitatory nucleo-olivary pathway shapes cerebellar outputs for motor control. Nat Neurosci 26, 1394–1406 (2023)

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