實現感覺運動行為在不同時間及空間尺度下靈活轉換是大腦一項重要的功能。運動層面，比如在簽名的時候，我們可以很輕易地調節簽名的速度(時間尺度)和簽名的大小(空間尺度)；感覺層面，我們對時間的感知常常受到環境及內在狀態的影響，比如當我們感到快樂的時候，我們會覺得時間過得更快，反之當我們痛苦的時候，會覺得時間過得更慢。大腦如何做到在不同時空尺度下靈活轉換的機制還不是很清楚。

另一方面，大腦不同種類突觸廣泛地表現出突觸短時可塑性(short-term plasticiy, STP)—突觸前釋放特性根據突觸前神經元放電活動短暫動態變化1。大量研究表明神經調質，如多巴胺，可以調節STP的參數2，在極端情況下，可以使STP從短時程增強變為短時程減弱。然而神經調制STP的計算功能還不是清楚。

在2024年5月3日發表于Science Advances工作中，我院青年研究員周尚林(獨立通訊)及其合作者通過神經網絡建模提出神經調制STP可以作為一種統一的生物可實現的機制調控感覺運動功能的時間及空間尺度( 圖 1)3。

一、神經調制STP控制運動功能的時空尺度。

為回答神經調制STP是否可以及如何調控運動功能的時空尺度，作者在循環神經網絡(RNN)中引入STP機制 ( 圖 2 A)。通過調節STP參數以控制STP的動力學特性，進而成功訓練RNN控制手寫軌跡的速度(時間尺度)及大小(空間尺度) ( 圖 2 B)。通過開發描述神經活動時空特性的算法，作者揭示了實現時空尺度調控的底層機制，闡明了該方法優于其他傳統時間尺度調控方法的原因及STP的加入在解決該任務中的計算優勢，也驗證了同一神經網絡聯合調控時間與空間尺度的可能性。

二、神經調制STP調節時間感知速度。

接下來，作者驗證了神經調制STP也可以調控感覺時間功能。在感覺時間認知領域，一項研究發現應用光遺傳上調多巴胺可以讓大鼠對時間感知變慢4，證實了日常生活中一個普遍的現象：當人們感覺快樂的時候，會覺得時間過得更快，原因是快樂的時候大腦內多巴胺釋放增加，進而使大腦感知到的時間比外在物理世界的時間慢。然而多巴胺通過何種機制減慢大腦對時間的感知還不清楚。有研究表明多巴胺可以調制STP的參數2，因此為測試上述神經調制STP方法也適用于感覺時間領域，作者在RNN模型中重現了上述動物實驗研究結果，并證明了神經調制STP可以減慢神經群體活動的動力學速度，進而減慢時間在神經活動中的表征( 圖 2C-E)。

在此工作中，作者基于現有的實驗結果，通過理論建模創新地提出神經調制STP可以作為一種統一的、生物可實現的方法控制神經群體活動的速度及大小，進而達到控制感覺運動行為時空尺度的目的。該工作也為腦內為何廣泛存在STP及其神經調制提供了一種新的解釋。

論文鏈接：https://www.science.org/doi/full/10.1126/sciadv.adk7257

參考文獻

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).