猕猴运动皮层静息与运动状态下的微内窥镜钙成像研究揭示神经元动态活动模式

本研究通过微内窥镜钙成像技术，首次在猕猴辅助运动区(SMA)和初级运动皮层(M1)的深层投射神经元中实现了GCaMP6f标记，揭示了静息与手臂伸展任务中钙瞬变的动态特征。研究人员发现25%的SMA神经元对运动方向敏感，并鉴定出神经元共激活与序列激活模式，为帕金森病等运动障碍的机制研究提供了新工具。该成果发表于《iScience》，为灵长类运动控制研究建立了重要方法学基础。

　　

运动控制研究长期面临神经元群体活动解析的技术瓶颈。传统电生理记录难以同时追踪大量特定类型神经元，而灵长类动物运动皮层的复杂层级结构更增加了研究难度。非人灵长类动物（NHPs）作为人类运动系统的理想模型，其辅助运动区(SMA)和初级运动皮层(M1)通过基底 ganglia-丘脑-皮层环路协同调控运动计划与执行。然而，这些区域深层投射神经元在行为状态转换时的动态编码机制仍不明确，制约着对帕金森病等运动障碍病理机制的理解。

为解决这一难题，Emory大学等机构的研究团队在《iScience》发表了创新性研究。该工作结合AAV病毒载体介导的GCaMP6f表达、梯度折射率(GRIN)透镜植入和头戴式微型显微镜(nVista3.0)技术，对4只恒河猴SMA/M1区Thy1启动子靶向的深层投射神经元进行钙成像。通过约束非负矩阵分解(CNMF-E)算法和OASIS去卷积方法，在静息和手臂伸展任务中解析了神经元群体活动特征。

General description of calcium activity
在3只猴SMA和2只猴M1成功记录的神经元中，钙事件速率在M1显著高于SMA（p<0.001）。值得注意的是，猴U的SMA神经元在静息状态下钙瞬变幅度显著高于任务状态（p=0.032），而M1神经元在任务中表现出更强的钙信号幅度（p=0.03）。这些发现提示不同运动皮层区域可能存在差异性的编码策略。

Calcium traces in SMA and M1 show changes in activity in relation to an arm-reaching task
在单目标伸手任务中，猴Q的SMA有34%神经元（43/129）对目标呈现产生显著响应，其中25%（32/129）表现出方向敏感性。猴U的SMA中43%神经元（6/14）显示任务相关调制且全部具有方向选择性。M1神经元在运动起始时100%被调制，50%具有方向特异性。这些结果证实钙成像能有效捕捉运动相关神经元的定向编码特性。

Cells in SMA and M1 show coactivation
通过Jaccard指数分析发现，SMA和M1中均存在显著共激活的神经元对（|Z-Jaccard|>1.96），且共激活程度与细胞间距离无关。在猴Q的SMA中，静息与任务状态下的共激活比例无显著差异（p=0.07），表明运动执行可能通过重组而非新增同步活动来实现。

Repeating sequences of calcium events involving several neurons
检测到涉及多神经元的重复激活序列（持续≤2s），这些序列在静息与任务状态间呈现动态变化。例如猴Q的SMA在10分钟记录中检测到8-13个独特序列，且序列参与神经元无空间聚集倾向。这种时空分离的序列模式可能反映长程网络交互而非局部回路活动。

Expression of GCaMP6f and lens localization
组织学验证显示GCaMP6f特异性表达于非GABA能神经元，证实主要标记了投射神经元。GRIN透镜成功定位至SMA/M1的肢体代表区深层（第5-6层），但猴Q的SMA透镜位置偏前可能影响功能响应比例。

该研究首次系统描绘了灵长类运动皮层投射神经元的钙动态特征，建立了三个重要范式：1）证实微内窥镜钙成像在NHPs运动研究中的可行性；2）揭示SMA/M1神经元群体在运动编码中的协同与序列激活模式；3）为帕金森病模型研究提供新工具。特别值得注意的是，发现的序列激活模式与行为状态无关的特性，暗示其可能参与高级运动规划或认知过程。技术层面，虽然钙成像的时间分辨率局限（约10Hz），但通过Thy1启动子实现的细胞类型特异性弥补了电生理的不足。未来可扩展至特定抑制性中间神经元或投射亚型研究，为运动障碍的精准干预提供新靶点。