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成年斑胸草雀在演绎求爱歌曲时，往往每一首曲子都是类似的由3-7个离散音节组成，这一看似简单的动作是由鸣禽大脑中的“时钟”HVC调控的。在唱歌时，一群HVC（RA）投射神经元将这些运动前指令发送到初级运动皮层，进而驱动运动神经元控制肌肉，以毫秒级精确度直接影响行为输出。此外，在其他多种行为和认知过程中也都观察到神经元的顺序激活，例如运动控制和决策制定。然而，对于潜在的环路机制仍然知之甚少。年10月15日，来自纽约大学神经科学研究所的MichaelA.Long团队在Cell杂志上发表了一篇题为“LocalAxonalConductionShapestheSpatiotemporalPropertiesofNeuralSequences”的文章，在这项研究中，作者通过记录和建模成年斑胸草雀在唱歌的复杂行为过程中与运动控制相关的神经元的顺序活动，确定顺序活动的神经元之间的局部超慢轴突传导产生网络延迟，而该延迟是环路内网络活动模式的基础。首先，作者尝试使用高密度硅探针确认HVC中歌曲相关序列的精细时间结构，该探针用于监控5只鸟在唱歌过程中个HVC投射神经元脉冲活动，并在持续1至4.5小时的观察期内同时记录了45至70个投射神经元。在观察中发现单个突触前HVC（RA）神经元的强度不足以驱动突触后神经元的脉冲爆发，而需要多个突触输入的融合。存在两种不同的方式可以完成此融合，一种是每个HVC（RA）神经元由同步活跃的突触前群体驱动（同步模型，synchronousmodel），另一种是不同的突触前群体在不同时间范围内活跃，但分别存在相匹配的延迟，延迟的存在使得最终同步整合在突触后神经元中（异步模型,asynchronousmodel）（见图1E-F）。为了区分这两种模型，时间测量必须非常精确。一个已知存在的时间抖动（temporaljitter）来源是行为差异性，在这项数据集中斑胸草雀每次演唱的持续时间差异在1.8%±0.4%，而这些差异会伴随着脉冲时序差异，从而引起这一序列后的神经元活动成比例移动。因此，作者将不同试验的神经序列彼此对齐后，可以完成两种模型的区分，并发现实际测量的数据与异步模型预测的高度一致（见图1A-D）。为了系统地探索爆发传输延迟与环路动力学之间的关系，作者将延迟分布的平均值和标准偏差改变了一个数量级并生成一种网络模型，模拟一组爆发时间与观察到的数据进行比较。当延迟分布狭窄或平均延迟很短时，模拟的HVC序列由在离散的时间步长（timesteps）内的爆发组成。但是，延迟分布超过最小均值和标准偏差则会导致平滑的模拟网络序列，正如唱歌期间在HVC中观察到的那样。因此，可以推断延迟与平滑序列的形成相关。图1，突触前神经元的同步或异步活动示意图（E-F），以及网络模型预测与记录数据的比较（A-D）（忽略图中字母标注的顺序）那么哪些神经过程会造成这种延迟呢？脉冲从轴突末端至突触后电位触发的时间非常短（~μs），因此不可能解释上述观察到的平滑网络顺序，而与突触后整合和轴突传导速度有关的延迟可能具有重要意义。经模拟实验排除了突触后整合机制作为延迟来源的说法后，作者进一步探讨另一种可能性，即轴突传导延迟。在先前的工作中，作者发现HVC（RA）神经元通常在整个HVC中发送大量的轴突侧支。由于这些侧支数量多且细小，因而难以记录HVC（RA）轴突侧支的传导速度。因此，作者使用体内全细胞记录（invivowhole-cellrecordings）通过刺激RA测量HVC→RA投射轴突的逆向反应来估计这些数值。在假设整个轴突具有均匀特性（如通道密度）的前提下，得出的最终估计传导速度对应于传导延迟，与作者构建的网络模型相结合，这些数值足以使HVC生成平滑序列。以上结果已经表明轴突传导延迟具有显著影响HVC网络时间结构的能力，鉴于HVC中的轴突传导速度与在其他神经环路中测得的已知值相比异常慢，作者想知道这类延迟是否会在那些网络中起作用，还是说只是斑胸草雀HVC中的专属。最后，作者通过分析大鼠体感皮层第4层中14个棘神经元的局部侧支来研究此问题。当测量从胞体到轴突不同位置的路径长度时，发现轴突场明显大于其在HVC（RA）神经元中的大小，出乎意料的是，在估计传导延迟时（已考虑传导速度和路径长度的差异），发现在两种细胞类别中这些估计值的范围几乎是相同的（L4：3.4±2.3ms，HVC（RA）：3.3±2.1ms）。因此，传导延迟可能在广泛的神经环路中发挥重要的计算作用。图2，斑胸草雀唱歌行为中HVC局部轴突延迟传导示意图长期以来，人们一直在探索轴突如何影响神经环路的信息处理以实现不同脑区的远程连接。相比之下，轴突在局部微环路中的作用常常被忽略，可能是被获取局部环路传导速度所涉及的技术挑战所牵绊。然而，这项研究通过记录和建模斑胸草雀在唱歌行为中HVC神经元的顺序激活，提出局部超慢轴突传导产生网络延迟以塑造该神经序列的时空特性的观点。因此，在未来的工作中可以进一步在其他环路中确认这种延迟分布是否通用于不同物种，脑区以及细胞类型，或者针对各种情况所需会进行专门调整等。总体而言，这项研究提示我们局部环路中轴突的功能特性也能够强烈的影响神经活动模式。原文链接：