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【Inscopix应用】Scientific Reports:解密镜像神经元——小鼠顶叶-额叶神经网络的活动特征

任何运动系统的一个关键功能都是对外界的刺激(包括其他人的行为)做出快速而灵活的反应。

假设对所执行和观察到的行为有强健的表现,那么就会增加许多物种的生存价值,因为它可以提供最佳的行动选择,来获得食物或避开捕食者。

然而,哪些神经环路整合了执行的和观察到的动作,以及如何整合,还不是很清楚。


在不同种类的灵长类和鸣禽中,这种相互作用的显著表现形式是镜像神经元。镜像神经元首先在猴子的运动皮层,然后是后顶叶皮层第四层(PPC4),后来在人类和鸟类的报道中也指出,当个人执行特定的动作时,这些镜像神经元观察到同种人执行的相同动作时,它们都会做出可靠的反应。基于这些特性,镜像神经元被假设为具有特定的社会功能,即从根据观察到的行为选择适当的动作到理解意图和模仿他人的动作。然而,经过多年的研究,镜像神经元是否建立在动作理解的基础上,或者它们的生理特性是否可以更好地用简单的、暂时的感觉-运动联系来解释,仍然存在争议。

如果有可能在基因易驯化的动物模型中访问潜在的社会学习的细胞网络,那么找到这些问题的机械解决方案将会带来巨大的好处。 

因此,科研人员试图确定在小鼠额运动区或PPC中是否存在镜像样神经元。和其他啮齿动物一样,小鼠可以在社会上获得感觉运动和基于恐惧的行为,它们最近证明了研究移情社会学习的神经生物学的有效模型。新出现的证据还表明,啮齿动物和灵长类动物的后顶叶皮层和运动皮层包括一个支持目标导向行为的几个方面的大脑皮层网络,包括决策,感觉运动转换和运动计划。啮齿动物模型还带来了方法论上的优势,包括在不受限制的受试者中使用Inscopix自由活动超微显微钙成像系统进行大规模的神经记录,这使得在动物自然的行为期间记录大规模的神经元自我发放,能够分析神经集合的动力学。反过来,就可以独立于实验者的偏见,揭示由行为驱动的神经群体活动的内在特征,例如状态空间结构。

在本篇中,科研人员使用Inscopix自由活动超微显微钙成像系统(图1A),在小鼠执行或观察到获得食物颗粒和跑轮的任务(图1B)时,一次对数百个神经元的活动进行成像(图1C)。科研人员证实观察者动物在任务中注意力集中,对视觉刺激表现出可靠的神经反应。

滔博生物

图1 自由行为小鼠PPC和M2中神经群体成像的实验范式


通过对行为实验的记录进行降维,我们发现在表演和观察到的行为过程中,总体反应的结构有明显的差异。这推动了随后使用洗牌分析和使用广义线性模型(GLM)的统计建模来量化单个细胞对特定行为的选择性。所有的测试都表明PPC和M2受到行为行为的强烈驱动,类似于在更典型的任务中所显示的,但这里扩展到了行为自由的动物。另一方面,观察到的行为的神经编码在两个大脑区域都低于随机水平,即使是在表现有很强相关性的神经元中也是如此。这些结果表明,测试观察到的动作的表征发生在小鼠的顶额环路之外,或者说啮齿类动物的这种表征需要视觉以外的额外感觉输入。


参考文献:

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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