是否行动由丘脑与眶额叶皮层向二级运动皮层的不同信号决定 —— 大脑决策机制的关键发现

在日常生活中，“是否行动” 的决策至关重要，但相关信号如何传至二级运动皮层（M2）尚不明确。为解决该问题，研究人员开展关于小鼠决策任务的研究，发现运动丘脑（mTh）→M2 通路正调控行动，而外侧眶额叶皮层（LO）→M2 通路负调控行动，这一成果有助于揭示大脑决策机制。

　　在日常生活里，我们时刻都面临着各种决策，其中 “是否行动” 无疑是一个极为基础且关键的抉择。想象一下，当我们看到诱人的美食，是选择伸手去拿，还是克制自己？又或者在面对危险时，是果断逃离，还是原地不动？这些看似简单的选择，背后却隐藏着复杂的神经机制。然而，长期以来，科学家们并不清楚相关的信号究竟是如何传递到二级运动皮层（M2，大脑中负责发起运动的关键皮层区域）的 。这个谜题就像一层迷雾，笼罩着神经科学领域，让众多研究者为之着迷，也促使他们不断探索，试图揭开其中的奥秘。

为了攻克这一难题，来自东京大学、京都大学等多个研究机构的研究人员展开了深入研究。他们以雄性小鼠为研究对象，设计了一系列精妙的实验，旨在揭示 “是否行动” 决策背后的神经信号传导机制。经过不懈努力，他们取得了重要突破：发现运动丘脑（mTh）向 M2 的输入对行动起到了正向调节作用，而外侧眶额叶皮层（LO）向 M2 的输入则对行动进行负向调节 。这一发现意义重大，为我们理解大脑的决策机制提供了关键线索，就像是在黑暗中点亮了一盏明灯，照亮了我们探索大脑奥秘的道路。相关研究成果发表在《Nature Communications》上。

研究人员主要运用了以下几种关键技术方法：首先是光遗传学技术，通过向特定脑区注射携带光敏感蛋白基因的病毒，如 AAV9 - hSyn - hChR2 (H134R) - EYFP，再利用不同颜色的激光照射，实现对 mTh→M2 和 LO→M2 等神经通路的精准激活或抑制，从而观察其对小鼠行为的影响；其次是双光子钙成像技术，将表达钙指示剂（如 GCaMP6s、R - CaMP1.07 等）的病毒注入相关脑区，借助双光子显微镜，实时监测 VM→M2_L1和 LO→M2_L1等轴突以及 M2 神经元的活动变化；此外，还构建了行为状态模型，根据小鼠在实验中的行动和奖励获取情况，模拟其相对行动价值的变化，以此分析神经元活动与行动决策之间的关系 。

研究结果具体如下：

• 小鼠在双音拉杆任务中的行为表现：研究人员训练头固定的雄性小鼠执行双音拉杆任务，该任务包含不同奖励概率的线索。在训练过程中，随着训练天数增加，小鼠在提示 A 试验中的拉杆率保持较高水平（约 0.9），而在提示 B 试验中的拉杆率则降至约 0.5。这表明小鼠能够根据奖励概率调整自己的行为，降低了在提示 B 试验中拉杆的意愿 。
• mTh→M2 和 LO→M2 通路对任务表现的影响：通过药物抑制 M2 发现，M2 对任务执行至关重要。进一步的光遗传学实验表明，激活 mTh→M2 通路会增加提示 B 试验中的拉杆率，而激活 LO→M2 通路则会降低拉杆率 。这直接证明了 mTh→M2 通路对拉杆行为起正向调节作用，而 LO→M2 通路起负向调节作用。
• 任务执行期间 VM→M2_L1和 LO→M2_L1轴突的双光子钙成像：对 VM→M2_L1和 LO→M2_L1轴突进行双光子钙成像后发现，这两种轴突在任务相关信息的表征方式上存在显著差异。例如，在提示期间，VM→M2_L1轴突的平均活动在 A_pull和 B_pull试验中均有所增加，且 A_pull试验中的增加幅度更大；而 LO→M2_L1轴突在 B_pull试验中的平均活动则低于基线水平和 B_{non - pull}试验 。通过聚类分析还发现，不同集群的轴突在活动模式、音调偏好和拉杆偏好上也各不相同，进一步证实了它们在决策过程中发挥着不同的作用。
• 提示 B 试验中行动价值增加后的变化：为了探究 VM→M2_L1和 LO→M2_L1通路是否传递行动价值，研究人员引入价值转移任务，将提示 B 试验的奖励概率从 20% 提高到 100%。结果发现，小鼠在提示 B 试验中的拉杆率显著增加。通过构建行为状态模型分析发现，VM→M2_L1轴突在提示和响应期间代表了提示 B 试验的行动价值，而 LO→M2_L1轴突则没有 。这表明 VM→M2_L1轴突在行动价值的传递中起着重要作用。
• mTh→M2 输入对 M2 活动的影响：对 M2 神经元进行双光子钙成像并分类后发现，M2 L2/3 神经元中部分神经元继承了 VM→M2_L1和 LO→M2_L1轴突的活动模式。例如，与 mTh 有突触连接的 M2 神经元中，集群 2 的比例较高，且许多集群表现出正的拉杆偏好；而与 LO 有突触连接的 M2 神经元中，集群 3 的比例较高，且集群 3 表现出负的拉杆偏好 。这说明 mTh→M2 输入可能在决定拉杆和产生运动起始信号方面发挥重要的兴奋作用。

在研究结论和讨论部分，研究人员指出，VM→M2_L1和 LO→M2_L1轴突在 “是否行动” 的决策任务中表现出明显不同的活动模式，且它们的信号可能是独立产生的。mTh→M2 通路的行动价值信号对 M2 参与运动起始的活动具有重要影响，行动价值在纹状体中更新，经 mPFC 和 DMS 维持，最终传递至 M2 。而 LO→M2 通路在拉杆试验中多数轴突活动降低，可能通过抑制 M2 中的某些神经元来调节运动起始。此外，该研究还发现，LO→M2 通路可能在特定情境下抑制某些行动，但其具体作用机制以及在其他任务中的功能仍有待进一步研究 。

总的来说，这项研究首次明确了运动丘脑和外侧眶额叶皮层向二级运动皮层传递的不同信号在 “是否行动” 决策中的关键作用，为深入理解大脑的决策机制奠定了坚实基础。尽管研究还存在一些局限性，如光遗传学实验动物数量不足、未全面考察奖励概率变化情况等，但这一成果无疑为后续研究指明了方向，有望推动神经科学领域在大脑决策机制方面取得更多突破 。