脑连接的新蓝图（研究进展）

我们日常生活中的林林总总，从煮咖啡到散步，再到和邻居打招呼，都是通过隐藏在头盖骨中央的古老的大脑结构而得以实现的。

《每日科学》官网4月5日消息

被称为基底核（Basal ganglia）的神经元簇是调节大量日常活动和行为功能的中枢。但当基底核的信号减弱或中断时，就会出现使人衰弱的运动和精神障碍，包括帕金森病、图雷特氏综合征（Tourette's syndrome）、注意力缺陷多动障碍(ADHD)和强迫症。

尽管基底核在控制行为方面起着核心作用，但信息从基底核流向其他脑区的具体、详细路径仍未被详细绘制出来。现在，加州大学圣迭戈分校(University of California San Diego)、哥伦比亚大学(Columbia University)祖克曼研究所(Zuckerman Institute)的研究人员和他们的同事已经从基底核的最大输出核(被称为黑质网状部或称SNr的区域)生成了一张精确的脑连接图。这些发现为该区域的结构提供了蓝图，揭示了新的细节，以及与基底核有关的令人惊讶的影响水平。

这项研究由助理项目科学家Lauren McElvain带头，在加州大学圣迭戈分校David Kleinfeld教授的神经物理实验室和祖克曼研究所首席研究员Rui Costa的实验室进行，并于4月5日发表在《神经元》（Neuron）杂志上。

研究于2021年4月5日发表在《Neuron》（最新影响因子：14.415）杂志上

该研究对基底核在运动系统层次中的位置建立了新的认识。据研究人员称，从连接图中新发现的通路可能为干预帕金森病和其他与基底核有关的疾病开辟新的途径。

McElvain说：“有了详细的回路图，我们现在可以计划研究来确定每个通路传达的具体信息，这些信息如何影响下游神经元来控制运动，以及每个输出通路的功能障碍如何导致基底核相关疾病的各种症状。”

在美国国立卫生研究院（NIH）的“使用先进革新型神经技术的脑研究计划”（Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies，BRAIN），简称“脑计划”（BRAIN Initiative）的支持下，研究人员通过应用现代神经科学工具包，结合了遗传学、病毒追踪、全脑解剖的自动显微成像和图像处理技术，开发了在小鼠脑基底核神经连接研究工作的新蓝图。研究结果揭示了关于联系广度令人惊讶的新见解。

脑计划

“这些结果是一个例子，说明由'脑计划’支持的研究人员如何使用最新的脑绘图工具，从根本上改变了我们对大脑回路中连接是如何组织起来的理解，”NIH“脑计划”主任John J. Ngai说。

先前的研究强调基底核的结构是由一个闭环控制的，输出投射连接回输入结构。这项新研究发现，黑质网状部（SNr）甚至可以传播到较低水平的运动和行为系统。这包括大量与脊髓和运动核直接连接的脑干区域，运动核通过少量的中间连接控制肌肉。

“McElvain博士领导的新发现为运动控制提供了重要的一课，”Kleinfeld说，他是生物科学部(神经生物学科)和物理科学部(物理系)的教授。“脑并不是通过像自动驾驶汽车的'神经网络’那样的命令层级来控制运动，而是通过一个中间管理方案来指挥运动输出，同时通知执行计划者。”

研究人员表示，值得注意的是，投射到低水平运动系统的SNr神经元有分支轴突，同时投射到负责高阶控制和学习的脑区。通过这种方式，新描述的SNr神经元的连通性从根本上连接了脑的高水平和低水平操作。

“特定基底核输出神经元会投射到特定的下游脑核，但也将这些信息传播到更高的运动中心，这一事实对脑如何选择在特定的环境中做哪些运动，以及如何学习，下一步要做哪些动作有所影响，” Costa说。他是哥伦比亚大学医学院（Columbia's Vagelos College of Physicians and Surgeons）神经科学和神经病学教授，同时也是祖克曼研究所所长和首席执行官。

参考文献

Source：University of California - San Diego

New blueprint of brain connections reveals extensive reach of central regulator

Reference：

Lauren E. McElvain, Yuncong Chen, Jeffrey D. Moore, G. Stefano Brigidi, Brenda L. Bloodgood, Byung Kook Lim, Rui M. Costa, David Kleinfeld. Specific populations of basal ganglia output neurons target distinct brain stem areas while collateralizing throughout the diencephalon. Neuron, 2021; DOI: 10.1016/j.neuron.2021.03.017