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说起旋转这个词，不知道大家是否会不约而同地想到同一个人。2014年央视春晚，舞蹈演员小彩旗一“转”成名。
从春晚开场直至结束，小彩旗连续旋转了4个小时，这一壮举不仅展示了她的出色舞蹈技艺，也让她备受瞩目，热议不断。截止初一下午5点，小彩旗共被搜索过144590次，关于她的微博话题更是高达4063258个。
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在咱们的日常生活和运动中，旋转行为常被涉及：花样滑冰有四周跳、体操与跳水有转体、街舞有风车和头转、跆拳道中有旋风踢、篮球有转身过人、最基础的健身也有大量旋转动作。
这些旋转行为不仅需要强大的肌肉力量和协调性，还需要中枢神经系统对平衡和身体姿态的精确控制。理解旋转运动的神经机制可以帮助运动员及体育爱好者提高运动能力并避免受伤，还有助于理解帕金森病、亨廷顿舞蹈症等多种运动疾病的病理学机制。
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近期研究显示，旋转行为与延髓内巨细胞网状核（Gi）密切相关。激活Gi内Chx10阳性神经元诱发同侧旋转，而抑制此类神经元引起对侧旋转，十分有趣；此类神经元投射至脊髓腹角，进而调节旋转行为。然而，Gi Chx10阳性神经元如何受更高级脑区调控，尚未可知。
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纹状体（Striatum）是基底神经节的一部分，在运动控制和运动学习中起关键作用。帕金森病、亨廷顿舞蹈症、强迫症等多种运动疾病与纹状体相关。那么，纹状体是否参与旋转行为调控过程呢？如果是，此过程是否与Gi相关呢？
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今年2月， 哥本哈根大学Ole Kiehn研究组于《Nature Neuroscience》杂志在线发表文章(第一作者Jared Cregg现于威斯康星大学麦迪逊分校成立新课题组)。文章以AAV跨突触标记、GRIN lens钙成像、光遗传学、小鼠步态分析为主要研究手段，发现了Gi内编码同侧旋转与对侧旋转的神经元，还发现此类神经元受纹状体-脑桥网状核下行调控。下面，笔者来解析此文并引出其他两篇精彩文章。
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本期内容
01
脑干Gi Chx10阳性神经元编码步态不对称性
旋转行为，属于步态不对称性的一种。为探究调控旋转的Gi Chx10阳性神经元如何编码步态不对称性，作者采用free moving小鼠光纤记录与GRIN lens钙成像方法，在Chx10-Cre小鼠左侧Gi注射AAV-DIO-GCaMP并植入光纤或GRIN lens。Gi Chx10神经活性与角速度密切相关，同向运动激活此类神经元，直走与对向运动抑制此类神经元（图1）。以上结果提示，Gi Chx10阳性神经元可编码身体的角速度。
那么，高级脑区如何参与步态不对称性呢？
笔者注：巨细胞网状核（Gigantocellular Reticular Nucleus, Gi）是位于脑干中网状结构中的一个核团。Gi以其包含的大型神经元而得名，这些神经元在调节自主神经功能、运动控制和觉醒状态中发挥重要作用。
图1 脑干Gi Chx10阳性神经元编码步态不对称性
02
纹状体亚区调控步态不对称性
上文已知，纹状体参与运动功能，但有关其如何参与步态不对称性，尚未可知。这里，我们引入今天第二位主角。
2020年4月，哈佛大学医学院Bernardo L. Sabatini研究组于《Nature Neuroscience》杂志发表文章。文章以神经示踪、膜片钳电生理、光遗传学、行为学为主要研究手段，发现激活腹外侧（VLS）而非背内侧（DMS）纹状体D1R阳性神经元诱发对侧舔舐行为；激活VMS与DMS而非VLS与DLS诱发对侧旋转行为（图2）。此外，纹状体不同亚区的投射谱不同（图3）。
咱们回到Kiehn的最新文章。那么，纹状体是否通过Gi调节步态不对称性呢？
笔者注：纹状体（Striatum）是大脑基底神经节的一部分，由不同类型的神经元组成，其中最主要的两类是多巴胺受体D1和D2阳性神经元（D1R和D2R阳性神经元）。这些神经元在运动控制、奖赏、和行为调节中发挥着重要作用。其中，D1R阳性神经元参与直接通路，D2R阳性神经元参与间接通路。
图2 激活VMS与DMS诱发对侧旋转行为
图3 纹状体不同亚区的投射谱
03
纹状体通过激活对侧Gi、抑制同侧Gi引起对向旋转
为回答上述问题，作者结合光遗传与钙成像技术，采用D1-Cre/Chx10-Cre小鼠，激活左侧或右侧纹状体D1R阳性神经元，记录左侧Gi Chx10阳性神经元并分析小鼠步态。激活左侧D1R神经元会抑制左侧Gi Chx10阳性神经元，诱发向右旋转；激活右侧D1R神经元会激活左侧Gi Chx10阳性神经元，诱发向左旋转（图4），提示Gi Chx10阳性神经元受双侧纹状体调控。
过去研究发现，纹状体直接抑制SNr，且SNr不与Gi Chx10阳性神经元形成直接突触联系，那么两个脑区之间必有“功能桥梁”。为寻找此“桥梁”，作者结合顺向与逆向标记技术，在SNr注射顺向跨突触表达的AAV1-Flpo，在Gi注射逆向表达的AAVretro-fDIO-tdTom，发现喙侧脑桥网状核（PnO）谷氨酸能神经元接受同侧SNr投射，并与对侧Gi神经元形成突触联系（图5），纹状体D1右-SNr右-PnO右-Gi左环路逐渐浮出水面。
那么，SNr右-PnO右-Gi左部分是否影响运动不对称性呢？
笔者注：黑质网状部（Substantia Nigra Pars Reticulata, SNr）是黑质的一部分，位于中脑，是基底神经节系统的重要组成部分。SNr在运动控制和眼球运动调节中起关键作用，其功能主要通过抑制性神经元的活动来实现。。
喙侧脑桥网状核（Nucleus Reticularis Pontis Oralis, PnO）是脑干中一个核团，属于脑桥网状结构。PnO参与调节多种重要生理功能，包括睡眠-觉醒周期、肌肉张力、眼球运动等等。
图4 纹状体通过激活对侧Gi、抑制同侧Gi引起对向旋转
图5 PnO接受SNr投射并投射至Gi
04
SNr-PnO-Gi通路双向调控运动不对称性
为探究上述环路功能，作者在小鼠右侧SNr注射AAV1-Cre，在左侧Gi注射AAVretro-DIO-ChR2、GtACR2或TeLC，在PnO植入光纤。激活接受SNr投射且投射到Gi的PnO神经元诱发对向旋转行为，抑制此类神经元诱发同向行为（图6a-k）；其中，抑制右侧PnO，小鼠可走出右转迷宫，很难走出左转迷宫（图6l-n）。以上结果表明，SNr-PnO-Gi通路可诱发对向旋转行为。
那么，除了上述通路，纹状体还通过其他下游核团调控运动功能吗？
图6 SNr-PnO-Gi通路双向调控运动不对称性
05
纹状体通过MLR调控运动
答案是肯定的。2016年1月，UCSF Anatol C. Kreitzer研究组于《Cell》杂志发表文章。文章以光遗传学和神经示踪为主要研究手段，发现纹状体内D1R与D2R阳性神经元通过投射到中脑运动区（MLR）调控运动功能（图7），其中谷氨酸能神经元而非GABA能神经元起主要作用。
笔者注：中脑运动区（Midbrain Locomotor Region, MLR）是位于中脑的一组神经元区域，广泛参与调节运动控制，特别是步态和行走的调节。MLR包含多个核团和区域，其中最主要的核团为楔形核（Cuneiform Nucleus, CnF）与脚桥核（Pedunculopontine Nucleus, PPN）。
图7 纹状体通过MLR调控运动
总结
运动功能十分重要，功能失常会引起多种严重疾病，但机制未明。今日文章解读运动功能领域3个顶级实验室3篇优质文章，阐释步态精细化分析系统的应用价值。希望各位小伙伴勤学勤练，慎思笃行，实现科研理想。临了，文末的参考文献为Ole Kiehn研究组今年发表的Nature Neuroscience文章，强力推荐大家品读！
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参考文献
Cregg, J.M., Sidhu, S.K., Leiras, R. et al. Basal ganglia–spinal cord pathway that commands locomotor gait asymmetries in mice. Nat Neurosci 27, 716–727 (2024).