Nature重磅：马普所研究证明大脑“计时器”竟藏在基底节？

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基本信息：

Title:Integrator dynamics in the cortico-basal ganglia loop for flexible motor timing

发表时间：2025.10.19

Journal:Nature

影响因子：45.8

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省流总结

这篇 2025年11月19日发表的 Nature 论文由马克斯·普朗克佛罗里达神经科学研究所 Hidehiko K. Inagaki 团队贡献，他们发现皮层-基底神经节回路中灵活运动定时的积分器动力学机制（灵活运动时序，如动物决定何时发起动作）。他们认为尽管前外侧运动皮层 (ALM) 和 纹状体(striatum) 都表现出相似的“斜坡式（ramping）”神经活动，但它们在“计时器”网络中的作用并不相同。通过灵活舔时任务、跨区域电生理和瞬时光遗传抑制，

作者揭示：前外侧运动皮层的短暂抑制会让计时过程“暂停”，而抑制纹状体的 D1-SPN 则像“倒带”一样让计时倒退。 这表明真正执行积分、生成时间累积信号的是基底节回路（特别是纹状体及其下游环路），而前外侧运动皮层主要提供可调输入并读取该积分器状态。该工作首次用因果操控区分了两者的计算角色，为理解时序控制、决策以及更多认知行为中的积分机制提供了统一框架。

核心发现

在灵活舔时任务中，前外侧运动皮层与纹状体均表现出可伸缩的 ramping 动力学，但 trial-history 编码主要存在于前外侧运动皮层，表明前外侧运动皮层提供调节 ramping 速率的输入（对应 Fig. 3 ）。短暂抑制前外侧运动皮层会使 ramping 暂停并在解除后迅速回到原先轨迹，导致舔时延迟量约等于抑制时长，说明前外侧运动皮层 并非积分器本体，而是“暂停计时器”的节点（对应 Fig. 4 ）。相反，抑制纹状体 D1-SPN 会使 ramping 逐渐衰退，并在结束后从更低的内部状态重新启动，造成大于抑制时长的延迟，即“倒带计时器”的特征（对应 Fig. 5 ）。同时，纹状体抑制不仅影响自身 ramping，也同步减弱前外侧运动皮层的时间动力学，表明前外侧运动皮层读取的是由基底节环路生成的积分状态（对应 Fig. 5g–o ）。进一步的 hazard rate 分析显示：前外侧运动皮层抑制导致行为平行平移（state-independent shift），而 D1-SPN 抑制呈现状态依赖性的巨大倒带效应（state-dependent rewind），在行为学上清晰分离了“暂停”与“倒带”的两种计时扰动机制（对应 Fig. 6 ）。

AI 锐评

这项研究以精细的多区域电生理与瞬时光遗传扰动为核心手段，成功区分了前额叶皮层与纹状体在灵活运动计时中的因果与计算角色：前者主要提供可调输入并在被抑制时使计时暂停，而后者及其下游回路承担积分器功能，在被扰动时使计时倒退。其贡献在于首次以因果证据明确“计时器”位于基底节环路而非皮层本身，为理解时序控制的神经动力学提供了具有普适性的框架。然而，研究的任务范式较为单一，积分器是否普遍适用于其他时序或决策情境仍待验证；此外，对整合机制的具体电路实现（如黑质—丘脑环路的精确贡献）仍属推断。总体而言，该工作理论清晰、证据有力，为多区域计算分工提供了关键突破，但其普适性与细胞层级机制仍需进一步拓展。

核心图片

注释：前外侧运动皮层 (ALM)

Fig. 1 | Multi-regional models of flexible motor timing.

Fig. 2 | The ALM is required for lick-timing control.

Fig. 3 | Neural dynamics in the ALM and striatum.

Fig. 4 | Transient optogenetic perturbation of the ALM.

Fig. 5 | Transient optogenetic perturbation of the striatum.

Fig. 6 | Modelling and testing timer perturbations at different onsets.

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分享人：天天

审核：PsyBrain 脑心前沿编辑部