实现感觉运动行为在不同时间及空间尺度下灵活转换是大脑一项重要的功能。运动层面，比如在签名的时候，我们可以很轻易地调节签名的速度(时间尺度)和签名的大小(空间尺度)；感觉层面，我们对时间的感知常常受到环境及内在状态的影响，比如当我们感到快乐的时候，我们会觉得时间过得更快，反之当我们痛苦的时候，会觉得时间过得更慢。大脑如何做到在不同时空尺度下灵活转换的机制还不是很清楚。
另一方面，大脑不同种类突触广泛地表现出突触短时可塑性(short-term plasticiy, STP)—突触前释放特性根据突触前神经元放电活动短暂动态变化1。大量研究表明神经调质，如多巴胺，可以调节STP的参数2，在极端情况下，可以使STP从短时程增强变为短时程减弱。然而神经调制STP的计算功能还不是清楚。
在2024年5月3日发表于Science Advances工作中，我院青年研究员周尚林(独立通讯)及其合作者通过神经网络建模提出神经调制STP可以作为一种统一的生物可实现的机制调控感觉运动功能的时间及空间尺度(图1)3。
一、神经调制STP控制运动功能的时空尺度。
为回答神经调制STP是否可以及如何调控运动功能的时空尺度，作者在循环神经网络(RNN)中引入STP机制 (图2A)。通过调节STP参数以控制STP的动力学特性，进而成功训练RNN控制手写轨迹的速度(时间尺度)及大小(空间尺度) (图2B)。通过开发描述神经活动时空特性的算法，作者揭示了实现时空尺度调控的底层机制，阐明了该方法优于其他传统时间尺度调控方法的原因及STP的加入在解决该任务中的计算优势，也验证了同一神经网络联合调控时间与空间尺度的可能性。
二、神经调制STP调节时间感知速度。
接下来，作者验证了神经调制STP也可以调控感觉时间功能。在感觉时间认知领域，一项研究发现应用光遗传上调多巴胺可以让大鼠对时间感知变慢4，证实了日常生活中一个普遍的现象：当人们感觉快乐的时候，会觉得时间过得更快，原因是快乐的时候大脑内多巴胺释放增加，进而使大脑感知到的时间比外在物理世界的时间慢。然而多巴胺通过何种机制减慢大脑对时间的感知还不清楚。有研究表明多巴胺可以调制STP的参数2，因此为测试上述神经调制STP方法也适用于感觉时间领域，作者在RNN模型中重现了上述动物实验研究结果，并证明了神经调制STP可以减慢神经群体活动的动力学速度，进而减慢时间在神经活动中的表征(图2C-E)。
在此工作中，作者基于现有的实验结果，通过理论建模创新地提出神经调制STP可以作为一种统一的、生物可实现的方法控制神经群体活动的速度及大小，进而达到控制感觉运动行为时空尺度的目的。该工作也为脑内为何广泛存在STP及其神经调制提供了一种新的解释。
论文链接：https://www.science.org/doi/full/10.1126/sciadv.adk7257
参考文献
1. Zucker, R. S. & Regehr, W. G. Short-Term Synaptic Plasticity. Annual Review of Physiology 64, 355–405 (2002).
2. Tritsch, N. X. & Sabatini, B. L. Dopaminergic Modulation of Synaptic Transmission in Cortex and Striatum. Neuron 76, 33–50 (2012).
3. Zhou, S. & Buonomano, D. V. Unified control of temporal and spatial scales of sensorimotor behavior through neuromodulation of short-term synaptic plasticity. Science Advances 10, eadk7257 (2024).
4. Soares, S., Atallah, B. V. & Paton, J. J. Midbrain dopamine neurons control judgment of time. Science 354, 1273–1277 (2016).
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