杜克大学揭秘皮层与丘脑协作机制，让复杂行为如丝般顺滑

基本信息

Title:Corticothalamic communication for action coordination in a skilled motor behavior

发表时间：2026.1.29

Journal:Nat Neurosci

影响因子：20.0

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研究动机与背景

动物在执行复杂的摄食行为（如伸手取水并送至口中）时，需要高度精确的肢体与口部动作协调，尽管前人已揭示了单个动作（如抓取、行走）的运动中枢，但大脑如何将这些离散动作串联成无缝序列的机制仍不清楚 。既往研究多关注皮层内及皮层下执行路径，而对于大脑皮层中不同类型的谷氨酸能投射神经元（特别是仅投射至丘脑的 CT 神经元）在动作协调中的具体分工缺乏深入了解 。作者试图解决的核心科学问题是：皮层中的不同输出通道（Pyramidal Tract - PT 与 CT）如何差异化地贡献于运动序列的推进与协调，以及皮层-丘脑反馈回路在其中扮演的角色的重要性 。

实验设计与方法逻辑

作者假设，尽管 PT 和 CT 神经元都参与运动控制，但它们在功能上存在分工：PT 神经元主要负责运动信号的广播与执行，而 CT 神经元通过与丘脑的互作，发挥着类似“状态调节器”的作用，负责维持动作的持续性并协调跨脑区的运动流 。

作者采用了从全局到局部的多层级研究思路：首先利用高通量行为追踪技术（DeepLabCut – 基于深度学习的视频分析软件）精细化定义了小鼠的伸手-缩回-饮水（RWD, reach-and-withdraw-to-drink）行为阶段 ；接着结合全皮层钙成像与闭环光遗传学干扰技术，在全脑范围内筛选出对动作序列推进至关重要的核心节点 MOs-c ；随后，利用 Cre/Flp 驱动系特异性标记 PT（PTFezf2）与 CT（CTTle4）神经元，通过电生理记录与投射特异性光抑制，对比两类细胞在动作不同阶段的活动特性及其功能必要性 ；最后，通过跨脑区病毒追踪和丘脑神经元记录，阐明了 CT 通道如何选择性增强丘脑中与 RWD 相关的活动，从而实现动作的有序衔接 。

Fig. 1 | Coordinated progression of reach and withdraw to consume (RWD). Fig1通过多维度运动分析展示了 RWD 任务的精细过程，明确了“伸手、缩回、饮水”三个阶段的运动特征，证明了伸手并非弹道式运动，而是受感觉反馈调节的有序过程 。

核心发现

结合全皮层成像与光遗传学干扰，确定 MOs-c 是协调运动序列的核心神经枢纽

为了在庞大的大脑皮层中找到控制“伸手-缩回-饮水”（RWD）这一复杂序列的中心，作者首先利用广域钙成像技术对小鼠在执行任务时的全皮层活动进行了实时监控。通过收集大量动作循环中的神经荧光数据，并采用广义线性模型（GLM）进行编码分析，研究者发现二级运动皮层中心区（MOs-c）的活动与动作序列的推进表现出最高的相关性。正如 Figure 2 中的空间热图所示，MOs-c 在动作启动及转换阶段激活最为显著。为了验证这一区域是否具有功能必要性，作者进一步采用了闭环光遗传学抑制技术，在小鼠做出动作的瞬间精准关闭 MOs-c 的神经活动。实验数据显示，抑制该区域会导致动作序列的严重中断，小鼠往往能启动“伸手”但无法顺利完成“缩回”或“饮水”的衔接。通过结合 Figure 1 的行为追踪数据与 Figure 3 的抑制效果对比，作者有力地证明了 MOs-c 不仅仅参与单个动作的产生，更是确保整个运动流连续性的核心枢纽，这一发现为后续深入研究特定细胞类型的功能奠定了解剖基础。

Fig. 2 | Cortical subnetworks differentially report movement progression. Fig2展示了全皮层钙成像结果，利用 GLM 模型锁定了 MOs-c、SSp-ul 和 Prt 等与运动显著相关的区域，并初步对比了不同投射神经元的活动峰值差异，发现 CT 神经元活动相对滞后但持久 。

揭示 PT 与 CT 神经元在动作启动与持续协调中的差异化动力学与功能分工

在锁定 MOs-c 区域后，作者进一步探究了该区域内不同输出通道的功能差异，重点关注了投射至脑干的锥体束（PT）神经元和仅投射至丘脑的皮层丘脑（CT）神经元。利用 Neuropixels 电生理记录与细胞类型特异性标记（使用 Fezf2 和 Tle4 驱动系），研究者获取了这两类神经元在动作过程中的放电特征。数据分析显示，PT 神经元表现出与特定动作（如伸手瞬间）紧密相关的爆发性放电，而 CT 神经元则在整个 RWD 序列期间表现出持续性的高水平活动，这一现象在 Figure 4 的群体神经元热图中得到了清晰展现。随后，作者通过光遗传学手段分别抑制这两类神经元：抑制 PT 神经元主要导致动作启动延迟或力量不足，而抑制 CT 神经元则引发了显著的协调性故障，如 Figure 3 所示，小鼠虽然能完成动作，但在饮水阶段手部无法收回至正确位置，导致“手-口协调”失衡。这一发现表明，PT 通道更倾向于驱动具体的运动执行，而 CT 通道则作为一种“状态控制器”，负责在长时间尺度上维持运动序列的结构与空间协调。

Fig3 重点展示了光遗传学干扰实验，证明抑制 MOs-c 会导致动作序列崩塌（如无法完成缩回或手口衔接失败），并区分了 PT 与 CT 抑制产生的不同行为错误类型（如手部姿势异常）

皮层-丘脑（CT）环路通过增益调制机制增强丘脑活动，从而维持运动序列的流畅性

为了查明 CT 神经元如何通过丘脑影响行为，作者深入研究了 MOs-c 到丘脑腹外侧核（VAL）和腹内侧核（VM）的反馈回路。研究者首先利用病毒示踪技术（如 Extended Data Fig. 7 所示）确认了 MOs-c 的 CT 神经元与丘脑之间存在精密的解剖连接。随后，他们在小鼠执行 RWD 任务时，一边记录丘脑神经元的活动，一边实时抑制皮层的 CT 投射。分析结果显示，当 CT 通道被关闭时，丘脑中原本与运动相关的神经元活动显著减弱，但其放电的时序模式并未改变，这表明 CT 投射的作用主要是提供“增益调制（Gain Modulation）”，即放大丘脑对运动信号的整合能力。结合 Figure 5 的实验数据，作者发现这种增益增强对于在动作转换关头（如从缩回到饮水）维持全脑尺度的神经动力学至关重要。如果没有 CT 通道的这种正反馈调节，丘脑就无法维持足够的活动强度来驱动下游的运动中枢，最终导致复杂动作序列的解体。这一发现阐明了皮层-丘脑通讯的本质：它不是简单地传递指令，而是通过闭环反馈来润滑和稳定运动流。

Fig. 4 | MOs-c PT and CT dynamics differentially correlate with action phase progression. 对比了 PT 和 CT 神经元的电生理放电模式，强调了 CT 神经元在动作全过程中的持续参与感，与其在协调性中的作用相呼应 。

Fig. 5 | MOs-c CTTle4 neurons selectively enhance RWD-relevant thalamic dynamics. 揭示了皮层-丘脑的回路细节，展示了 CT 神经元如何通过单突触输入增强丘脑神经元的增益，并在行为层面通过模拟或抑制验证了该回路对动作流畅性的贡献 。

省流总结

本文研究了小鼠在熟练取水行为中皮层如何协调肢体与口部动作，发现二级运动皮层中心区（MOs-c）是关键节点，并揭示了 PT 和 CT 两类神经元的显著功能差异：PT 神经元负责动作启动，而 CT 神经元通过与丘脑的持续反馈通信，精细调节动作的序列推进与空间协调，该成果为理解复杂运动技能的神经环路机制提供了重要补充 。