苏炳添跑出9秒83成绩，大脑如何知道身体在运动过程中移动速度？

在运动过程中构建和获取个体所处环境的信息是促进生存的一种重要适应能力。

12月27日，苏炳添速度研究与训练中心揭牌仪式在暨南大学举行，该中心将以田径（短、跨、跳）训练的前沿技术探索为主攻方向。苏炳添表示，努力将中心建成亚洲领先、世界一流的综合性短跑训练基地，推动运动科学化的理念。在今年的东京奥运会上，苏炳添跑出了9秒83的成绩，成为第一个跑进奥运会男子百米决赛的亚洲人，也突破了亚洲纪录。 运动速度是用来计算个体位置的基本输入，为了计算个体在空间中的位置，需要不断地识别个体的速度，那么大脑是如何知道身体在运动过程中的移动速度呢？

美国斯坦福大学Jordan S. Farrell等研究人员使用在体钙成像、电生理学、光遗传学、细胞追踪和组织学技术，发现下丘脑乳头体上核中的神经元调节运动和海马活动，该核团在功能上位于来自高阶认知中心的输入和运动核所在的下游中脑之间。

这些神经元编码未来的运动速度，并在受到刺激时有效地驱动运动。由于这些运动神经元在支持空间导航的大脑区域具有广泛的轴突，因此这种细胞类型会将这些信息选择性地分配到需要速度知识的区域。2021年12月16日，Science 发表了这一研究成果。

SuM神经元的放电活动与运动速度和海马θ神经元活动有关

哺乳动物的运动与海马θ振荡的发生密切相关，θ波节律在自我产生运动开始之前就开始了，并且与速度增加的幅度相关。海马通过在过去、现在和未来的位置上将定位编码神经元组件的活动暂时组织成轨迹，θ振荡被认为在空间导航过程中辅助认知操作。

θ波与速度的紧密耦合可能是自我产生的运动和θ控制之间的共享神经电路的结果，从而提供了潜在的速度信号。内侧隔是海马θ活动的关键区域且与运动有关，此外，最近的研究表明，下丘脑后部的乳头上核(SuM)在唤醒、峰时协调和识别新奇事物方面发挥作用。

作为一种被提议的θ控制器，下丘脑乳头上核（SuM）的神经活动可能也与运动有关。 研究人员利用来自大鼠的电生理数据，首先明确了SuM神经元的放电活动如何与运动速度和海马θ神经元活动有关。

与以前在中脑运动区(MLR)的观察类似，研究人员发现很大一部分放电速率与运动速度显著相关的SuM单位，且其中大多数正相关。 此外，SuM“速度细胞”与未来速度(平均偏移1.2s)的相关性比实时速度更密切。接下来，研究人员发现了SuM动作电位和海马θ波之间的耦合。30.7%的单位观察到与海马θ振荡和θ节律峰电位高度一致。通常在CA1θ波谷附近激发的SuMθ细胞，有轻微的前瞻性偏向。大多数SuMθ细胞与运动速度呈正相关。

图1. SuM表征速度和海马θ振荡

光遗传学操控SuM控制运动和海马LFP

接下来，研究人员调整了时间偏移，99%的SuM单位的激发速率受到速度的调制。激光脉冲的频率在8和12 Hz能够可靠地夹带海马局部场电位(LFP)。 为了测试SuM 在运动和θ活性中的功能参与，研究人员利用光遗传学激活或抑制SuM神经元，发现光遗传激活驱动运动，而光遗传抑制使65.6±0.6%的受试者运动停止。

对SuM的光遗传操作有力且双向地控制运动，但并不抑制自发的海马θ波。

图2.光遗传学操控SUM控制运动和海马LFP

运动启动和LFP夹带的细胞类型相关性

考虑到SuM细胞类型的异质性，研究人员进一步使用Tac1-Cre小鼠结合病毒顺标及逆标策略对不同的细胞类型进行分群标记，以确定运动控制以及SPEK和LFP夹带是否依赖于细胞类型。研究发现，两个细胞群体的轴突输出是相似的，支配着已知和预期的SuM靶区。

在功能上，SuMTac1+细胞激活在100%的试验中有力地推动了运动但没有夹带海马LFP。这种运动是相对缓慢和稳定的，与探索性运动一致。相反，SuMTac1-细胞激活较弱地控制运动，但精确地控制了海马在8 Hz和12 Hz的频率。

图3.运动启动和LFP夹带的细胞类型相关性

海马脑区细胞群受SUM细胞类型依赖的不同调节

最后，研究人员确定了SuMTac1+和SuMTac1−神经元是如何改变海马神经元的放电频率并控制脉冲时序的。平均而言，两种SuM细胞类型的激活都增加了运动过程中海马单位的放电速率，并导致相似比例的单位具有显著的放电速率变化。 刺激SuMTac1+的效果，与自发调速的幅度有关，即正相关速度单位的放电频率随光遗传刺激而增加，而负相关细胞的放电频率随光遗传刺激而减少。

根据速度和激光计时作为输入，对海马速度、细胞放电率进行建模，发现在SuMTac1+刺激过程中对放电速率进行建模比在抑制情况下对SuMTac1-刺激过程中的建模产生的误差要小得多，这说明SuMTac1+刺激对运动和海马细胞放电速度的影响是耦合的。

在亚秒的时间尺度上，研究人员还确定了海马脉冲计时是否相对于每个激光脉冲发生了改变。SuMTac1-激活在更多的单元中引入了尖峰定时，具有更大的平均影响。 此外，SuMTac1−的激活增加了接近每个光脉冲终止的大多数单位的放电速率，而SuMTac1+的激活有混合反应且SuMTac1+刺激的效果取决于该单位的速度相关性，

因此正相关的海马速度细胞更有可能在激光脉冲开始后不久被激发，而负相关的细胞则受到抑制。 在这两种细胞类型的激活中，光遗传夹带的大小和自发的θ夹带的大小之间都观察到了显著的相关性。

图4.海马脑区细胞群受SUM细胞类型依赖的不同调节

结 论

Jordan S. Farrell研究团队确定了啮齿动物下丘脑上核（SuM）中与未来运动速度高度相关的神经元，并在激活时可靠地驱动运动。在表达Tac1（P物质）的（SuMTac1+）神经元被特异性识别能够强有力的控制运动，这些神经元的激活选择性地控制了速度调节的海马神经元活动。 相比之下，Tac1缺陷（SuMTac1-）细胞对运动的调节很弱，但能有效地控制海马神经元的脉冲时序，并足以诱导局部网络振荡。

这些发现强调，下丘脑上核（SuM）不仅调节基本的运动活动，而且还以一种可能支持空间导航的方式选择性地塑造海马神经活动。

原文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abh4272?

参考文献

Farrell JS, Lovett-Barron M, Klein PM, Sparks FT, Gschwind T, Ortiz AL, Ahanonu B, Bradbury S, Terada S, Oijala M, Hwaun E, Dudok B, Szabo G, Schnitzer MJ, Deisseroth K, Losonczy A, Soltesz I. Supramammillary regulation of locomotion and hippocampal activity. Science. 2021 Dec 17;374(6574):1492-1496. doi: 10.1126/science.abh4272. Epub 2021 Dec 16. PMID: 34914519.

编译作者：zouki（brainnews创作团队）

校审：Simon（brainnews编辑部）