“被动”或“主动”运动中皮层激活和功能连接研究中的异同

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2024年9月6日，美国明尼苏达大学神经科学系 Timothy J. Ebner研究团队在Nature communications发表“Wide-field calcium imaging of cortical activation and functional connectivity in externally- and internally-driven locomotion”，揭示了宽场钙成像技术在外部驱动和内部驱动运动中的皮层激活和功能连接研究中的应用。

大脑皮层在自主启动与感觉驱动运动中的作用对于理解自愿行动至关重要。这两种运动类别的差异是由于特定的皮层区域还是更广泛的皮层参与，尚存在争议。作者使用宽场钙成像技术比较了自发运动和电动跑步机运动期间的神经动态，确定了全皮层激活和功能性连接（FC）的相似性和差异。电机驱动的运动（Motorized locomotion）：这是指由外部机械装置（如跑步机）驱动的运动。在这种情况下，动物（通常是实验动物如小鼠）在固定的运动设备上运动，运动速度和方向通常由设备控制。自发运动（Spontaneous locomotion）：这是指动物在没有任何外部强制或引导的情况下，自主决定并发起的运动。这种运动完全由动物自身的意愿驱动。

在电动运动期间，与自发运动相比，皮层在运动开始前和运动期间的激活更大，而在稳态行走、停止和终止后则较小。两种条件下，前次级运动皮层（M2）节点的功能性连接增加，而所有其他区域的功能性连接减少。此外，还存在全皮层的差异；最明显的是，在电动停止和终止后，M2与所有其他节点的功能性连接减少。因此，无论是内部生成的还是外部生成的运动，都广泛参与皮层活动，差异体现在全皮层激活和功能性连接模式上。

图一 在电机驱动跑步机和自发运动期间的动物行为

"Thy1-GCaMP6f转基因小鼠在头部固定的情况下，通过伪随机定时的连续运动阶段（速度为2.22、2.77、3.33或3.88厘米/秒）和休息（0厘米/秒）在水平盘式电动跑步机上训练运动。作者在电动任务期间收集了总共62.5小时的宽场钙荧光成像，此外还有自发运动期间的30.8小时。作者在电动和自发运动期间监测了8个行为变量，除了运动速度和加速度外，还记录了左前爪速度（FL）、左后爪速度（HL）、左前爪在x维度的速度（FLx）、尾巴速度和鼻尖速度。在自发条件下，FL、HL和尾巴速度增加。在开始和停止期间，自发条件下的峰值自发加速度率高于电动跑步机上的加速度率。在自发条件下，小鼠准备行走之前，FL、HL和尾巴的运动有短暂的、小幅度的运动。在两种条件下，肢体和尾巴的速度在运动期间都保持较高。鼻尖速度在不同时期没有变化，除了在自发运动之前有短暂的小幅增加。自发条件下的瞳孔直径在准备运动时比电动条件下增加，并且在开始运动时保持较高。在持续行走和停止期间，两种条件下瞳孔直径都保持较高，自发条件下的直径更大。

图二 电动和自发运动中的皮层激活

在分析运动期间的皮层调节时，作者使用空间独立成分分析（sICA）对皮层进行了空间分割，并发现了32个在小鼠间一致的功能区域，称为“节点”。这些节点分为6个大致的解剖皮层区域，这里标记为次级运动（M2）、初级运动（M1）、体感（S1）、外侧顶叶（LP）、中顶叶和视觉（MV）以及压后叶（Rs）皮层。在电动和自发运动期间，皮层激活既有相似之处也有差异。相比之下，自发预开始条件的特点是激活普遍减少，只有在运动开始前才出现激活增加。在两种条件下，开始时的激活普遍增加，尽管电动情况下的增加大约是自发情况下的两倍，持续时间更长，并涉及更多节点。在两种条件下，一旦达到稳态行走，激活就会减少，但仍然高于休息水平。与休息相比，M1和S1中的节点显示出最大的激活增加，但所有区域（除了LP）都有明显的增加。有趣的是，在运动停止期间，电动和自发之间出现了很大差异。在电动条件下，皮层的激活降至低于休息水平，其中S1、LP、M1、MV和Rs等多个节点出现最大减少。与此同时，自发停止保持了稳态行走期间出现的增加。在两种条件下，停止后的激活减少，尽管电动情况下的减少似乎有所延迟，并且与自发情况相比，S1和MV区域的参与较少。这些在空间时间激活模式上的差异，特别是在运动开始前后，当运动变量相似时，表明不同的皮层状态是电动和自发运动的基础。

图三 在PLSR校正后的运动过程中不同脑区功能连接的变化

在不同运动阶段（启动前、启动、稳态行走、停止和停止后）大脑皮层功能连接的变化，并且强调了在这些阶段中电机驱动（motorized）与自发（spontaneous）运动条件下的功能连接存在显著差异。通过PLSR校正行为变量，在静息状态下，大部分皮层的功能连接在电机驱动条件下比自发条件下低，但在外侧M1区（lateral M1）的节点7/8则相反。在启动前，两种条件都显示出广泛的功能连接增加，但在电机驱动条件下，前运动皮层（premotor cortices）的功能连接增加不显著。在启动期间，皮层功能连接普遍增加，但在启动过程中逐渐下降至稳态行走。在稳态行走期间，M2的功能连接增加，而其余皮层的功能连接降低。在停止期间，两种条件下的功能连接模式保持不变，但在电机驱动条件下，M2和LP节点的功能连接程度显著降低。在停止后，尽管两种条件都显示了反弹性连接，但在电机驱动条件下，前部M2节点的功能连接低于自发条件。这些差异可能反映了外部驱动运动与自发运动在神经机制上的本质区别。

综上所述，在持续行走过程中，电动和自发运动显示出类似的功能连接模式，这表明它们处于一种共同的运动状态。然而，在行走的启动和终止阶段，外部驱动和内部驱动运动的皮层激活以及功能连接有显著差异。这些发现支持了大脑皮层在意志行动与感觉驱动行动中的不同作用源于皮层神经动态差异的观点。

文章来源

https://doi.org/10.1038/s41467-024-51816-6

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