錐體神經(jīng)元（PyNs）組成了大約80%的皮層神經(jīng)元，且?guī)缀跣纬闪怂械倪h距離投射。根據(jù)其投射的距離，PyNs可以分為投射到腦內(nèi)其他皮質(zhì)和紋狀體的腦內(nèi)（IT）神經(jīng)元以及投射到皮層下結(jié)構(gòu)的錐體束（PT）神經(jīng)元。雖然PyNs經(jīng)常被看做是一個整體，但是PyNs的類型非常多樣化。在皮質(zhì)整體上了解這些不同類型的PyNs具有怎樣的功能對于探究它們在皮層環(huán)路中發(fā)揮的作用十分關(guān)鍵。

Bj?rn K和Anne C教授使用遺傳學和逆向靶定的方法探究不同類型的PyNs在決策行為中發(fā)揮的作用，并將其成果Pyramidal cell types drive functionally distinct cortical activity patterns during decision-making于2023年1月發(fā)表于Nature Neuroscience 雜志。

1、PT和IT顯示出不同的皮層活動模式

該實驗使用靶向PT神經(jīng)元的Fezf2-CreER小鼠和靶向IT神經(jīng)元的PlexinD1-CreER小鼠，這兩種小鼠品系會和Ai162繁育，使得鈣指標GCaMP6s在不同的PyNs中特異性表達（圖1.a,b）。此外，還使用在所有PyNs中非特異性表達GCaMP6s的EMX小鼠。

之后，用寬視野成像檢測PyN類型特異性的皮層活動，再用機器學習算法（sNMF，local NMF等）分析相關(guān)數(shù)據(jù)，結(jié)果顯示皮層活動差異具有明顯的PyN類型特異性，其中，在頂葉和額葉的PT神經(jīng)元以及IT神經(jīng)元的視覺和體感區(qū)域差異最大（圖1,2）。

圖1. 敲入小鼠細胞系可以記錄錐體神經(jīng)元亞型特異性的皮層范圍內(nèi)的神經(jīng)活動

圖2. 不同類型的錐體神經(jīng)元顯示不同的皮層活動模式

2、PT和IT神經(jīng)元表現(xiàn)出不同的任務(wù)相關(guān)活動

該實驗對小鼠進行聽覺決策實驗，即讓小鼠的前爪觸碰小手柄，會同時引發(fā)位于左側(cè)和右側(cè)的聲音，同時兩側(cè)都有一個噴嘴，如果小鼠舔了聲音更多側(cè)的噴嘴，那么小鼠可以獲得獎勵（圖3.a）。sNMF和local NMF分析顯示，不同的PyNs的神經(jīng)元活動明顯不同：體感和視覺皮層的IT活動部分被抑制，而PT的活動則升高（圖3）。

圖3.聽覺決策實驗揭示了不同的PyNs具有不同的功能活動模式

之后，為了分離任務(wù)相關(guān)的活動，該實驗構(gòu)建了一個線性編碼模型，其中納入了很多任務(wù)相關(guān)（感覺刺激，過去和現(xiàn)在的選擇）和運動相關(guān)（舔，觸碰手柄，以及面部運動）變量，最終得出每個變量(例如，感覺刺激)與皮層活動的關(guān)系。

在去除了運功變量的干擾下（運動會比任務(wù)捕捉到更多的變量，大約占模型60%），模型結(jié)果進一步驗證了上述結(jié)果，即PT和IT的任務(wù)相關(guān)神經(jīng)元活動不同，對感覺的刺激反應不同（圖4,5）。

圖4.編碼模型揭示了PyNs具有任務(wù)特異性差異

圖5.椎體神經(jīng)元特異性的差異在皮層刺激反應的位置和特異性上十分明顯

除了PyN類型特異的感覺反應外，該實驗同時構(gòu)建了一個邏輯回歸模型進行選擇相關(guān)活動的檢測，研究顯示，PT絕大部分的選擇信號位于額葉，而IT的活動則相對很少（圖6）。

圖6.選擇相關(guān)活動的時間動態(tài)在不同的錐體神經(jīng)元類型中有所不同

3、皮質(zhì)紋狀體投射（CStr）神經(jīng)元是功能分化的IT神經(jīng)元亞類

由于IT神經(jīng)元分為皮質(zhì)內(nèi)神經(jīng)元和CStr神經(jīng)元，為了檢測上述IT神經(jīng)元表現(xiàn)出的特性是否主要是由CStr神經(jīng)元塑造，該實驗注射CAV-2-Cre到小鼠中進行逆向追蹤CStr神經(jīng)元的GCaMP6s信號，同時也記錄額葉PyNs的雙光子鈣成像信號。

結(jié)果顯示，雖然在聽覺實驗中，CStr的活動有一部分與IT神經(jīng)元活動相似，但兩者之間還是有明顯的不同，比如說CStr神經(jīng)元缺乏感覺皮層的刺激前抑制。但在同側(cè)偏好IT選擇信號方面，CStr的活動總體上與IT神經(jīng)元一致（圖7）。

圖7.皮質(zhì)紋狀體神經(jīng)元的皮層范圍活動

4、錐體神經(jīng)元類型對感知和選擇形成的特定因果貢獻

上訴結(jié)果顯示不同類型PyNs具有不同的特性，為了檢測它們在決策中的功能，該實驗使用stGtACR2（一種抑制性視蛋白）在聽覺、頂葉和額葉皮質(zhì)進行PyN類型特異性的光遺傳學失活。

結(jié)果顯示，如果雙側(cè)失活聽覺，頂葉和額葉的EMX神經(jīng)元，決策的準確性會大幅降低。失活頂葉的IT或者CStr神經(jīng)元會造成輕度的損傷，但是失活PT神經(jīng)元會造成嚴重的損傷。此外，在額葉的失活會造成最嚴重的損傷，此時IT和Cstr神經(jīng)元額失活造成的效果一致（圖8）。

總而言之，PyN類型特異性的抑制可以選擇性地降低小鼠的反應準確性，抑制的神經(jīng)元類型不同，效果不同。

圖8.頂葉和額葉時間限定的，錐體神經(jīng)元特異性的失活破壞了決策

結(jié) 論

頂葉皮質(zhì)的PyNs都參與了聽覺刺激的感知，但是PT神經(jīng)元占了最大的因果作用。額葉的PyNs參與準確的選擇，但是IT和PT神經(jīng)元發(fā)揮著不同的調(diào)節(jié)選擇的作用。

參考文獻：

Simon Musall, et al. Pyramidal cell types drive functionally distinct cortical activity patterns during decision-making. Nature Neuroscience, 2023. DOI: 10.1038/s41593-022-01245-9.

編譯作者：KK（brainnews創(chuàng)作團隊）

校審：Simon（brainnews編輯部）

標簽：腦科學神經(jīng)科學