Nature重磅：馬普所研究證明大腦“計時器”竟藏在基底節(jié)？

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基本信息：

Title:Integrator dynamics in the cortico-basal ganglia loop for flexible motor timing

發(fā)表時間：2025.10.19

Journal:Nature

影響因子：45.8

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省流總結(jié)

這篇 2025年11月19日發(fā)表的 Nature 論文由馬克斯·普朗克佛羅里達(dá)神經(jīng)科學(xué)研究所 Hidehiko K. Inagaki 團(tuán)隊貢獻(xiàn)，他們發(fā)現(xiàn)皮層-基底神經(jīng)節(jié)回路中靈活運(yùn)動定時的積分器動力學(xué)機(jī)制（靈活運(yùn)動時序，如動物決定何時發(fā)起動作）。他們認(rèn)為盡管前外側(cè)運(yùn)動皮層 (ALM) 和 紋狀體(striatum) 都表現(xiàn)出相似的“斜坡式（ramping）”神經(jīng)活動，但它們在“計時器”網(wǎng)絡(luò)中的作用并不相同。通過靈活舔時任務(wù)、跨區(qū)域電生理和瞬時光遺傳抑制，

作者揭示：前外側(cè)運(yùn)動皮層的短暫抑制會讓計時過程“暫停”，而抑制紋狀體的 D1-SPN 則像“倒帶”一樣讓計時倒退。 這表明真正執(zhí)行積分、生成時間累積信號的是基底節(jié)回路（特別是紋狀體及其下游環(huán)路），而前外側(cè)運(yùn)動皮層主要提供可調(diào)輸入并讀取該積分器狀態(tài)。該工作首次用因果操控區(qū)分了兩者的計算角色，為理解時序控制、決策以及更多認(rèn)知行為中的積分機(jī)制提供了統(tǒng)一框架。

核心發(fā)現(xiàn)

在靈活舔時任務(wù)中，前外側(cè)運(yùn)動皮層與紋狀體均表現(xiàn)出可伸縮的 ramping 動力學(xué)，但 trial-history 編碼主要存在于前外側(cè)運(yùn)動皮層，表明前外側(cè)運(yùn)動皮層提供調(diào)節(jié) ramping 速率的輸入（對應(yīng) Fig. 3 ）。短暫抑制前外側(cè)運(yùn)動皮層會使 ramping 暫停并在解除后迅速回到原先軌跡，導(dǎo)致舔時延遲量約等于抑制時長，說明前外側(cè)運(yùn)動皮層 并非積分器本體，而是“暫停計時器”的節(jié)點(diǎn)（對應(yīng) Fig. 4 ）。相反，抑制紋狀體 D1-SPN 會使 ramping 逐漸衰退，并在結(jié)束后從更低的內(nèi)部狀態(tài)重新啟動，造成大于抑制時長的延遲，即“倒帶計時器”的特征（對應(yīng) Fig. 5 ）。同時，紋狀體抑制不僅影響自身 ramping，也同步減弱前外側(cè)運(yùn)動皮層的時間動力學(xué)，表明前外側(cè)運(yùn)動皮層讀取的是由基底節(jié)環(huán)路生成的積分狀態(tài)（對應(yīng) Fig. 5g–o ）。進(jìn)一步的 hazard rate 分析顯示：前外側(cè)運(yùn)動皮層抑制導(dǎo)致行為平行平移（state-independent shift），而 D1-SPN 抑制呈現(xiàn)狀態(tài)依賴性的巨大倒帶效應(yīng)（state-dependent rewind），在行為學(xué)上清晰分離了“暫停”與“倒帶”的兩種計時擾動機(jī)制（對應(yīng) Fig. 6 ）。

AI 銳評

這項研究以精細(xì)的多區(qū)域電生理與瞬時光遺傳擾動為核心手段，成功區(qū)分了前額葉皮層與紋狀體在靈活運(yùn)動計時中的因果與計算角色：前者主要提供可調(diào)輸入并在被抑制時使計時暫停，而后者及其下游回路承擔(dān)積分器功能，在被擾動時使計時倒退。其貢獻(xiàn)在于首次以因果證據(jù)明確“計時器”位于基底節(jié)環(huán)路而非皮層本身，為理解時序控制的神經(jīng)動力學(xué)提供了具有普適性的框架。然而，研究的任務(wù)范式較為單一，積分器是否普遍適用于其他時序或決策情境仍待驗證；此外，對整合機(jī)制的具體電路實現(xiàn)（如黑質(zhì)—丘腦環(huán)路的精確貢獻(xiàn)）仍屬推斷。總體而言，該工作理論清晰、證據(jù)有力，為多區(qū)域計算分工提供了關(guān)鍵突破，但其普適性與細(xì)胞層級機(jī)制仍需進(jìn)一步拓展。

核心圖片

注釋：前外側(cè)運(yùn)動皮層 (ALM)

Fig. 1 | Multi-regional models of flexible motor timing.

Fig. 2 | The ALM is required for lick-timing control.

Fig. 3 | Neural dynamics in the ALM and striatum.

Fig. 4 | Transient optogenetic perturbation of the ALM.

Fig. 5 | Transient optogenetic perturbation of the striatum.

Fig. 6 | Modelling and testing timer perturbations at different onsets.

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分享人：天天

審核：PsyBrain 腦心前沿編輯部