在感知決策過程中，額葉皮層神經元表現出不同的選擇性，分別代表感覺、運動和認知變量，但支撐這種不同選擇性的神經環路仍然知之甚少^[1-2]。其中一種觀點認為腦內存在一類參與多個過程的神經元，科學家們也通過在體電生理記錄的方式觀察到單個神經元放電活動表現類似于連續的時間變化和任務選擇性的隨機組合，這也從側面驗證了這一觀點^[3-4]。

但對于行為信息的神經編碼是否以及與額葉皮層回路的解剖織學關系至今仍然知之甚少。支持感知決策的信息是如何被額葉皮層神經元編碼的？編碼的過程額葉皮層回路的解剖織學關系又是怎樣的呢？

2022年9月28日，貝勒醫學院神經科學系Nuo Li研究團隊在”Nature Neuroscience”發表了題為” Thalamus-driven functional populations in frontal cortex support decision-making”的工作，揭示了丘腦驅動決策行為中額葉皮層功能性神經元的作用^[5]。

研究者們首先構建了一個胡須決策行為范式。小鼠用右側胡須辨別物體的位置，當物體在前方時，向左舔可獲得水獎勵；當物體在后側時，向右舔才可獲得水獎勵（圖1a）。小鼠決定向左舔還是向右舔的過程就是一種胡須決策行為，研究人員也通過電極記錄了在決策行為中前外側運動皮層（anterior lateral motor cortex, ALM）中20000個神經元的電活動。對ALM神經元電活動分析后發現神經元的活動并不是隨機的，而是有一定的組織結構，且與行為的編碼相關的。

根據刺激的位置、舔舐的方向、小鼠的反應等不同維度，研究者們將ALM神經元分為了刺激、選擇、動作、結果、前肢翹起（Ramping）、走（Go）、響應等7種不同響應模式神經元群（圖2b），這些ALM神經元在不同模式下電活動的活性和權重有較大差異，但也存在一些“共享”神經元，這些神經元參與多種行為，但對不同的行為有著不同貢獻（圖2b）。

圖1:胡須決策行為范式構建

圖2:胡須決策行為中ALM神經元可分為7種響應模式

為了了解ALM相關的神經投射，研究者們向ALM注射了逆向示蹤劑WGA594，結果發現ALM的上行腦區包括同側初級感覺皮層和次級軀體感覺皮層（primary and secondary somatosensory cortex, S1/S2）、同側丘腦(部分腹內側核、腹前外側核、內側背核等，ThalALM)和對側ALM（cALM）。而在向ALM注射順行示蹤病毒AAV2.CAG.GFP后發現，ALM也投射至S1/S2、ThalALM和cALM（圖3a），這說明ALM與S1/S2、ThalALM以及cALM形成了互反循環（圖3a）。而在通過光遺傳學的方式分別抑制S1/S2、ThalALM以及cALM的神經活動后，小鼠胡須決策行為會出現紊亂（圖3b），如在Delay期抑制cALM的活動會使舔舐左側的時間明顯減少，而抑制ThalALM則會使舔舐右側的時間明顯減少（圖3b）。

圖3:ALM與S1/S2、ThalALM以及cALM存在神經投射

研究者們接下來進一步通過光遺傳學的方式研究了S1/S2、ThalALM以及cALM對cALM神經元放電模式的影響。在光遺傳抑制刺激期S1/S2活動時，刺激模式的響應會被影響，但并沒有完全丟失（圖4a），且這種影響是短期的；而在刺激期抑制ThalALM的活動會對ALM刺激模式的響應產生相對長期的影響。在7種ALM放電模式的響應中，光遺傳抑制ThalALM產生的影響要比S1/S2區域和對側ALM區域更強一些（圖4d），這說明在胡須決策行為中ThalALM – ALM環路起到了非常重要的作用。

圖4.三條神經環路對ALM響應模式的影響

總之，這項工作檢查了觸覺相關的決策在小鼠前外側運動皮層與深層核團ThalALM的關系。與隨機混合選擇性的概念相反，對ALM區20000個神經元的分析揭示了有組織的活動編碼行為，并且定義了7種不同的響應模式。在使用病毒示蹤技術追蹤了ALM的上行和下行腦區后發現，ALM與S1/S2、ThalALM以及cALM形成了互反循環，進一步通過光遺傳學的技術發現ThalALM對ALM產生的影響要比S1/S2區域和對側ALM區域更強一些。這也說明在胡須決策行為中ThalALM – ALM環路起到了非常重要的作用。

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