Cell：奥运会如火如荼，大脑调控运动机制又有重要新发现！
小编说：近日，东京奥运会正在如火如荼地进行中，我国奥运健儿在为国争光，奋勇拼搏！运动，成为我们大家热议的话题。我们都知道，躯体的运动受到大脑的支配，那么是否还有很多关于大脑调控运动的未解之谜呢？ 今天，我们一起来学习一篇最新发表在Cell杂志的文章。
运动对于所有生物个体都十分重要，从动物基本的觅食行为，到躲避天敌的逃跑行为，如何控制自己的身体运动和协调四肢的位置在这些过程中起到十分重要的作用，对于帕金森病的治疗也有着十分重要的意义。
中脑运动区（the mesencephalic locomotor region，MLR）是大脑中脑位置的一个区域，该区域可以整合来自许多脑区的信息并进行上行和下行的投射，将运动信息传递给各个脑区。
MLR包括4个亚区，分别为pedunculopontine nucleus (PPN), the rostro-caudally contiguous area of the pre-cuneiform和cuneiform nuclei (pCnF和CnF), 以及 the adjacent mesencephalic reticular formation (mRT)。
这些区域交织着谷氨酰胺能和GABA能神经元，其中PPN还包括一些胆碱能神经元。这些神经元的位置分布和对应功能现在还不是很清楚。近日，瑞士的巴塞尔大学的Silvia Arber团队在Cell杂志发表文章，揭示了中脑运动区神经元的身体运动功能多样性。
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瑞士的巴塞尔大学的Silvia Arber团队做出了如下假设：神经元投射的目标可能决定MLR中谷氨酰胺能神经元的位置和功能。
作者首先运用vGlut2-Cre的老鼠，将MLR投射的几个主要的脑区，黑质（substantia nigra reticulata，SN），脊髓（spinal cord，SC）和延髓网状结构（medullary reticular formation，Med）内注入逆行性的病毒（rAVV），并加上不同的tag以区分不同来源的投射。
作者发现，MLR>Med的神经元是数量最多并且分布最广的，在4个区域均有分布。相对来说，MLR>SN和MLR>SC的神经元集中在PPN和mRT区域内。MLR>SN定位在紧邻PPN的mRT中，尤其是在后侧。MLR>SC定位相对更靠外侧，并更多的定位在PPN区域。另外，MLR>Med和MLR>SC有较大的重叠，其他神经元并没有这种现象。
图一 根据投射目标分离MLR的谷氨酰胺能神经元
接下来，作者根据MLR>SC的定位特性，尝试寻找是否有存在基因标记可以标注这簇神经元。作者筛选到了Rbp4cre的小鼠，MLR-Rbp4的定位与MLR>SC的定位一致，并确定该簇神经元也是谷氨酰胺能神经元（并不是乙酰胆碱能或者GABA能的神经元）。
图二 Rbp4基因可以标记向SN投射的谷氨酰胺能MLR神经元
接下来作者将主要专注研究MLR谷氨酰胺能神经元的功能。作者将MLR-SC作为下行投射神经元，将MLR-Rbp4作为上行投射神经元，将这两个神经元作为研究目标，来研究MLR上行和下行通路在动物运动中的作用。作者运用Grin len来观察在MLR注射了AVV-flex-GCaMP7f的vGlut2-Cre和Rbp4-Cre的小鼠体内，以实现体内钙成像来观察神经元的活性。
先来说MLR-SC神经元，作者发现当小鼠站立（rearing）的时候，该簇神经元火星显著提高，在其他动作中活性没有显著性变化；该神经元在全身（full body）的活动时活性较高。
再来看MLR-Rbp4神经元，作者发现当小鼠处于Groom或者handle的时候，该簇神经元的活性显著性上升，在其他活动中没有显著性变化；该簇神经元在上肢活动的时候活性较高。
图三 不同的行为会招募不同簇的MLR神经元
为了探究神经元活性与不同行为的关系，作者提取了所有记录的神经元的最高活性并计算对于不同的行为的概率。作者发现，MLR-SC神经元会在站立中招募的最多，其次是走路（walking），在groom和handle的时候几乎不招募。MLR-Rbp4则相反。
作者还做了神经元活性和不同行为的相关性，其中分析MLR>SC发现站立和步行时没有相关性，说明在这两个全身性运动中，招募的神经元的不同；而handle和grooming展现了较大的相关性。
分析MLR>Rbp4发现，handle和grooming这两个上肢活动不存在显著的相关性，说明这两个动作是招募不同的神经元，而步行和站立之间有显著的相关性。
总的来说，MLR-SC神经元的活性可以作为全身性运动的预测指标，MLR-Rbp4神经元的活性可以作为上肢运动的预测指标。
图四 MLR-Rbp4神经元和MLR-SC神经元的活动可以解码到不同的行为
接下来作者运用光遗传的方法去探究者两簇神经元的功能，发现：对于MLR-SC神经元，光遗传的结果揭示该神经元主要参与身体的伸缩；对于MLR-Rbp4神经元，该神经元主要影响基底神经节，并影响四肢运动的协调性。
图五 MLR-SC神经元参与身体延伸
图六 MLR-Rbp4神经元主要参与动物运动的协调性
总的来说，作者发现了MLR区域的谷氨酰胺能神经元，并发现不同的簇的神经元参与不同的运动，包括全身性运动和局部运动。
Ferreira-Pinto MJ, Kanodia H, Falasconi A, Sigrist M, Esposito MS, Arber S. Functional diversity for body actions in the mesencephalic locomotor region. Cell. 2021 Jul 20:S0092-8674(21)00828-X. doi: 10.1016/j.cell.2021.07.002. Epub ahead of print. PMID: 34302739.
编译作者：大只（brainnews创作团队）
校审：Simon（brainnews编辑部）