首先簡單介紹一下大腦中的基底核(Basal Ganglia)，其中“Basal(基底)”表示其解剖位置位于大腦的深部和底部，基底核是位于大腦皮質(zhì)底下一群運動神經(jīng)核的統(tǒng)稱，對應于圖1.1中紫色的區(qū)域。

圖1.1

基底核包括了：紋狀體(striatum)、蒼白球(global pallidus)、黑質(zhì)(substantia nigra)、丘腦下核(subthalamic nucleus)。其主要功能包括自主運動的控制、整合調(diào)節(jié)細致的意識活動和運動反應。而我們要介紹的正是位于基底核中的紋狀體(striatum)核團對于運動的調(diào)控作用，紋狀體在大腦中對應的區(qū)域位置，見圖1.2。

圖1.2

如今，大量實驗已經(jīng)證明了基底核的帶刺投射神經(jīng)元(spiny projection neurons (SPNs))接受紋狀體的輸入，且基底核對行為的內(nèi)容和結構起著很重要的作用。

在背側(cè)紋狀體中，神經(jīng)機制能夠識別很多運動學參數(shù)，包括身體速度、頭的移動速度、轉(zhuǎn)動的角度等。這些實驗現(xiàn)象讓人們認識到紋狀體能夠全面的編碼持續(xù)運動的瞬時編碼學的可能。過去進行了一些對背外側(cè)紋狀體(dorsolateral striatum(DLS))受損的被試的實驗，得到的結果見圖2。

圖2

從圖2，我們可以看出，一個動作正常的時序序列是由A-B-C-D，而DLS受損的患者，該動作的時序序列就會被打亂。(至于圖中syllable術語，后續(xù)將會提到，它是一個運動在時序上的組成成分)

紋狀體通過兩條通路來影響動作行為，一條直接通路direct pathway，和另一條間接通路indirect pathway，其中direct pathway進行了動作的選擇，并促進了動作的表達；而indirect pathway則抑制了不想表達的動作行為。

為了進一步探究紋狀體對于3D運動的編碼控制作用，科學家提出了“syllable”這一術語，用來表示組成小鼠3D運動行為的亞秒級的運動動機，即在時間尺度上，一個運動行為是由一組syllables序列所組成的。比如我們要出門時，先站起來，再轉(zhuǎn)個身，最后直走離開，該動作行為的過程就可以分解為3個syllable，第一是站立、第二是轉(zhuǎn)身、第三是直走。

之后科學家發(fā)明了一種新型的Ca離子示蹤的光成像法。對背外側(cè)紋狀體DLS注入光成像所需的病毒后，得到的結果如圖3所示。

圖3

圖中紅色為一種實現(xiàn)Ca離子示蹤的物質(zhì)(jRCaMP1b)在光成像后顯示的顏色，而綠色是另一種示蹤物質(zhì)(GCaMP6s)成像后得到的顏色。

實驗向小鼠注入一種病毒，然后通過傳輸jRCaMP1b這種物質(zhì)來反應direct通路的信息表達，同時在該小鼠DLS的indirect通路的信息表達是由GCaMP6s的傳輸所決定的。通過顏色的分布來反映direct pathway和indirect pathway的反應強度分布。

之后將該光成像系統(tǒng)結合一種叫做MoSeq(Motion Sequencing)的機器學習技術，使得科學家可以同時分析直接通路SPNs和間接通路SPNs的神經(jīng)活動，并將兩通路的活動與運動的時間序列對應起來。

接下來簡單介紹一下，

MoSeq算法在這項研究中的作用。

該機器學習模型，輸入為利用Kinect2(Kinect是由微軟開發(fā)，應用于Xbox主機的周邊設備，它能捕捉玩家全身上下的動作，用身體來進行游戲)對小鼠的動作行為進行捕捉。得到的數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后作為數(shù)據(jù)集，來訓練一個自回歸的隱馬爾科夫模型，輸出一個對小鼠3D運動數(shù)據(jù)在每幀上對應syllabels的預測結果。最終成功將一段時間的小鼠3D運動數(shù)據(jù)分解為一段時間軸上的Behavioral syllabels序列。

通過兩者的信息結合得到了以下圖4的結果：

圖4

圖3左邊這一列表示了實驗的環(huán)境，將多電極的傳感器深深植入小鼠的大腦，來測定小鼠DLS區(qū)域的電信號。同時注入實驗所需的病毒，利用新型光成像方法分析紋狀體的活動。

同時利用Kinect2捕捉的這段時間的小鼠3D動作視頻數(shù)據(jù)，再利用MoSeq機器學習算法，得到右上角時間尺度上的行為動機序列，其中每種顏色代表一種動作行為。

例如，對應于小鼠做出Reared pause、Dive、Locomotion的動作，多電極記錄的電信號反應如圖所示，其顏色隨著時間的推移而變深。

可以看出，紋狀體能夠識別出組成不同動作行為的syllables序列，且該序列和小鼠所做的自主運動行為有著一定的相關性。

接下來，科學家們針對2D和3D的動作行為，來對比分析紋狀體中direct pathway和indirect pathway對于編碼運動信息的差異性。

實驗表明，當運動行為在時間尺度上越短時，即速度越快時，兩條通路與2D運動速度的相關性就會下降，見圖5.1。

速度越快時(相關性下降時)，在統(tǒng)計學上，神經(jīng)活動與運動學參數(shù)(比如速度)的關系越明顯，direct pathway編碼2D運動的神經(jīng)元一直在活動，而indirect pathway不活動；而對應于3D動作行為，它也和direct pathway的活動相關，而和indirect pathway的活動呈現(xiàn)負相關，結果見圖5.2。人們因此認為紋狀體中indirect pathway對3D快速運動起著調(diào)控作用。

圖5.1

圖5.2

另一實驗結果表明，在小鼠由某一動作轉(zhuǎn)換到另一動作的時候，比如從run到dive時，紋狀體的兩條通路的熒光活動在動作轉(zhuǎn)換之前就已經(jīng)減弱了，而動作一發(fā)生轉(zhuǎn)換的時候兩通路的熒光活動立刻得到增強，結果見圖5.3。

這證明了紋狀體神經(jīng)活動與快速行為轉(zhuǎn)換之間存在一定關系。

圖5.3

而對于不同的運動行為，兩通路間的去相關性與組成運動的syllables序列有關，實驗結果見圖5.4。

其中例如run這個運動行為，觀測其在時間軸0附近的生理電信號數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)direct pathway的活動有所提高，而indirect pathway的活動有所降低，同樣的結果也發(fā)生在scrunch上。因此能普遍觀察的到兩條通路編碼運動時神經(jīng)活動的去相關性。

這說明兩通路的共同作用對生物體的快速自主運動起著重要的作用，兩條通路的這種關系可能和快速運動的動作實施相關。

圖5.4

于是，科學家們開始研究兩通路對于運動信息的編碼效應，開始對比某一通路和雙通路作用下的效果。

結果，實驗表明，在both pathway作用的條件下，紋狀體對于組成運動行為的syllables識別率更高，可以更好的編碼2D、3D運動信息，實驗結果如圖6所示，其中紅色為direct pathway SPNs，綠色為indirect pathway SPNs，黃色為結合兩通路both pathway SPNs.(前者是對10種syllabels進行分類，任務相對簡單；而后者是對所有類別Syllables進行分類，任務相對復雜，所以得到的識別率相差較大。)

圖6

之后，科學家們又通過對小鼠的DLS區(qū)域進行定點損毀。(向某通路中注射鹽水來阻塞部分NMDA通道，從而控制注射區(qū)域的反應活動，見圖7.1)

圖7.1

發(fā)現(xiàn)DLS受損的小鼠表達出運動的syllable序列在時間上變得更為隨機，即無法有效的組織有序的動作序列，結果見圖7.2。也驗證了前文提到的對紋狀體受損被試的實驗結果。

圖7.2