【文献解读】新皮层到小脑的环路连接在认知过程中的作用

        在传统观念中小脑主要在运动协调中发挥作用，然而，随着研究手段的进步，最近的研究发现小脑在认知功能中也扮演了重要角色。有证据表明，小脑的认知功能从空间推理、语言到工作记忆均有涉及，并与自闭症、精神分裂症等多种认知障碍疾病相关。但是小脑与大脑不同脑区的信息交流方式，仍鲜为人知。

        小脑对认知的作用有可能是通过与新皮层的相互作用。原因有二，第一从化学的角度，小脑与新皮层随着动物的进化而变大，第二从解剖学的角度，小脑与新皮层之间存在密集的神经联系。本综述关注小脑在处理奖赏认知信息的作用，并且了解小脑与新皮层之间的信息交流方式。

1.小脑的细胞、纤维与奖赏认知

        颗粒细胞和浦肯野细胞是小脑最主要的神经元类型，颗粒细胞通过脑干和脑桥核接收来自大脑和脊髓的苔藓纤维（mossy fibers）的输入，浦肯野细胞则接收爬行纤维（climbing fibers）的信号输入。一个浦肯野细胞可以接收由10万个颗粒细胞轴突组成的平行纤维（parallel fibers）的信号输入，但只接收一个爬行纤维的信号输入。这些信号通过浦肯野细胞的轴突投射到小脑核（CN），进而将信号输出到丘脑、VTA等不同的脑区。

        通过双光子钙成像研究小鼠颗粒细胞在奖赏行为的活性变化，可以通过对奖赏行为不同的响应将颗粒细胞分为三类，在获得奖赏时做出响应的奖赏响应神经元，在获得奖赏之前做出响应的奖赏预期神经元和错过奖赏做出响应的奖赏遗漏神经元。在动物等待预期奖励的过程中，奖赏预期神经元活性会增加，但若给予的奖赏与预期的不一致，这些神经元活性又会降低。

        小脑的爬行纤维对奖赏预测误差的调节发挥重要作用。在小鼠压杆获得水奖赏的实验中，爬行纤维活性增加会上调浦肯野细胞树突的活性。在小鼠压杆前预知会获得水奖赏，在等待奖赏期间爬行纤维活性持续增加。但是在等待奖赏期间小鼠意识到没有后续的奖赏，爬行纤维的活性会随之降低。
 

 图1 小脑环路与奖赏认知
 

2.小脑与新皮层之间的神经联系

        小鼠左右交替的前肢运动实验中对前运动皮层前额区的第五层锥体神经元和小脑颗粒细胞进行双光子钙成像检测，发现随着小鼠学习程度的加深，皮层第五层神经元和小脑颗粒细胞放电的同步性越来越好。

        皮层神经元除了通过脑桥到达小脑之外，还可以通过丘脑到达小脑。前外侧运动皮层（ALM）和小脑核（CN）在奖赏相关行为具有电活动的相似性，这两个脑区在奖赏等待期间神经元活性均会增加，在获得奖赏时达到峰值。光抑制ALM神经元显著降低CN神经元在奖赏等待时间内活性的增加，相似的，光抑制CN也会降低ALM在奖赏等待时间内活性的增加。
 

 图2   新皮层与小脑之间的信号传递
 

3. 小脑细胞的信号传递

        在传统的理论中颗粒细胞的信号来源于苔藓纤维的信号输入，每个颗粒细胞平均可以接收四个不同的苔藓纤维的信号输入，不同的颗粒细胞，可以将不同苔藓纤维携带的复杂的信号分选出来，并对特定的信号做出响应。如图三所示，只有接收两个不同苔藓纤维携带的相同信号时，颗粒细胞才会对该信号做出响应。由于颗粒细胞的数量远远超过苔藓纤维的数量，因此当一个颗粒细胞随机整合四种苔藓纤维的信号，颗粒细胞的输出信号更具有多样性。在动机行为中颗粒细胞会表现出频繁的活动，以响应皮层的不同信号输入，推测是皮层信号是通过苔藓纤维传递到颗粒细胞。

        浦肯野细胞存在两类放电模式，简单脉冲和复杂脉冲。简单的尖峰放电一般是浦肯野细胞自身周期性的行为，而复杂的尖峰放电混合着浦肯野细胞信号和来自爬行纤维的信号输入。 在经典的理论中，复杂的尖峰信号由运动误差产生，并引发浦肯野细胞的长时程抑制（LTD）。最.新研究发现，奖赏预测误差以及认知预测误差也能引起复杂的尖峰信号。
 

图3   小脑功能的理论模型

总结和展望

         本文作者围绕小脑与新皮层在认知过程中的联系与功能，重点关注了小脑不同细胞在奖赏认知中的调节作用及小脑与新皮层之间的联系与功能。但对于小脑如何从大脑中获取奖赏信号、奖赏信号在小脑中如何被加工等问题，还有赖于技术和理论上的进步。

图片来源：Trends in neurosciences

原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0166223619302036

如有相关实验需求，或了解更多产品服务，欢迎咨询我们！