大脑底部的基底神经节如何促进和抑制运动？（二）
2020/12/21 0:45:42 生物流BioStream

     承接上文：大脑底部的基底神经节如何促进和抑制运动？

     前情回顾：

     科学家认为，基底神经节调控运动有两条通路：一条为直接通路，起始于纹状体内表达D1多巴胺受体的中棘神经元(MSN，medium spiny neuron)。另一条为间接通路，起始于纹状体内表达D2多巴胺受体的中棘神经元。

    

     小鼠直接通路和间接通路示意图

     一种模型认为，直接通路促进运动，而间接通路抑制运动。

     当多巴胺释放进纹状体后，多巴胺通过D1受体激活直接通路，促进运动。同时，多巴胺通过D2受体抑制间接通路，打掉了运动抑制的路障。直接通路被激活，间接通路被抑制，两方面的作用，使得运动顺利起始。

     在帕金森症中，纹状体内的多巴胺缺失，使得直接通路无法激活，间接通路无法被抑制，这最终导致了帕金森病人运动起始的困难。

     另一种模型认为，运动起始时，两条通路需要同时被激活。直接通路的激活促进动物想要执行的动作，而间接通路的激活也会抑制行为，不过这里，间接通路抑制的不是期望的行为，而是与期望行为竞争的行为。

     举个例子，你在路上行走，突然前面的车里飞出来一张张钞票散落在地。你停住了脚步。然而，你发现有更重要的事情赶着去做，其价值远比几张钞票重要，于是直接通路激活促使你继续走路，这是你期望的行为。而间接通路也同时激活，抑制你弯腰捡钞票的非期望行为。

    

     无论是以上哪种模型，直接通路和间接通路的作用都是相反的。

     为了验证哪种模型是正确的，科学家利用转基因小鼠和光遗传技术，特异性地激活了直接通路的D1中棘神经元，或间接通路的D2中棘神经元。以下实验是在小鼠的背侧纹状体内进行。

     自由活动的小鼠，如果人为地激活直接通路，运动皮层神经元会有更大的自发放电，同时小鼠也会起始更多的运动。相反，如果激活间接通路，运动皮层神经元自发放电减弱，小鼠的活动也减少，并会出现僵住不动的情况。这一结果支持第一种模型，即直接运动易化运动起始，而间接通路抑制运动起始。

    

     然而其他实验却有不同的结果。

     许多研究也发现，在自由运动起始前，直接通路和间接通路中棘神经元会同时放电，激活神经元的比例大致相同。在小鼠静止休息时，直接通路和间接通路的神经元都变得相对沉默。这一结果似乎支持第二种模型，即运动的发起需要直接通路激活预期的运动，间接通路抑制非期望的运动。

     以上的实验都是在自由活动的小鼠身上实施的，但实际上，直接通路和间接通路更重要的作用可能是在学习和抉择过程中。

     抉择中的直接通路和间接通路

     在一个抉择任务中，小鼠需要推杆或者拉杆，以获取奖励。在某一段时间，推杆有更大的概率获取奖励，而在另外一段时间，拉杆有更大的概率获取奖励。

     科学家发现，无论是推杆还是拉杆，直接通路和间接通路都有大致相同比例的神经元被激活。更有趣的是，当小鼠获得奖励时，直接通路D1神经元处于激活，间接通路D2神经元被抑制。而没有奖励时，则刚好相反。

    

     如果小鼠推杆得到奖励时，人为地激活间接通路，小鼠下一个trial会执行相反的动作，即拉杆。而当小鼠推杆没有奖励时，人为激活直接通路，小鼠下一个trial会继续推杆。一个解释是，激活直接通路，让小鼠误以为推杆的价值很高，下次还要这样干，即使实际上小鼠推杆并没有得到任何奖励。

     因此，科学家认为，在抉择过程中，无论是直接通路还是间接通路，可能都不直接参与抉择的行动本身。相反，两条通路参与的是抉择行为背后的触发因素，例如抉择行为对应的价值。

     直接通路和间接通路以相反的方式调节学习

     如果一个动作反复地给我们带来奖励，我们便会更多执行这一动作，以获取奖励。这便是强化学习，奖励是行为的强化物。

     科学家在小鼠执行某一动作，或者呆在某一空间时，激活背侧纹状体内的直接通路D1神经元。科学家发现，直接通路D1神经元的激活，本身就可以假乱真，充当奖励和强化物，可以强化小鼠的某一行为，或者让小鼠偏爱某一空间位置。

    

     小鼠的条件性位置偏爱实验

     而激活背侧纹状体内间接通路D2神经元，则起到相反作用，会让小鼠厌恶某一空间，减少某一动作的执行频率。

     直接通路的激活，对小鼠来说，似乎本身就是奖励。而间接通路的激活，似乎本身就是惩罚，则会让小鼠产生厌恶的感觉。

     腹侧纹状体伏隔核内，也存在D1直接通路神经元和D2间接通路神经元。激活伏隔核内的D1或D2神经元，作用并不像背侧纹状体内的D1D2神经元一样强，并不能充当强化物或惩罚，促进强化学习。然而，当伏隔核D1神经元的激活和可卡因同时出现时，小鼠更加偏爱某一空间了。而当伏隔核D2神经元激活和可卡因同时出现时，小鼠偏爱该空间的程度降低了。

     也就是说，伏隔核内的直接通路和间接通路的激活，效果并没有背侧纹状体那么直接和强烈。它需要一个媒介，即真实的奖励或惩罚，伏隔核内直接和间接通路可以调节媒介的效果。

     总结

     直接通路和间接通路可以影响和控制运动，但背后机制目前还不十分清晰。在认知任务中，直接通路和间接通路可能并不直接参与行为本身的控制，相反，两条通路也许编码着行为的价值。

     更多阅读请看参考文献：

     参考文献：Striatal circuits forreward learning and decision making

     (生物流系头条号签约作者)

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