Mapping the neural circuitry underlying spatial and temporal locomotor adaptation

Abstract

A adaptação locomotora é uma forma de aprendizagem motora necessária para uma mobilidade estável e equilibrada em ambientes dinâmicos e em constante mudança. Em humanos, este tipo de aprendizagem tem sido estudada usando uma passadeira com duas cintas que permite controlar a velocidade de cada lado do corpo independentemente. Os ratinhos adaptam nesta passadeira de uma forma muito semelhante aos humanos e, tal como estes, aprendem a adaptar a sua locomoção de modo a caminharem de uma forma mais simétrica. Esta simetria é alcançada através de ajustes em parâmetros espaciais e temporais relativos à coordenação entre membros. A adaptação locomotora é dependente do cerebelo e requer o interposed deep cerebellar nucleus. Os componentes espaciais e temporais da adaptação locomotora são afetados por manipulações chemogenéticas deste núcleo. No entanto, enquanto manipulações unilaterais do interposed afetam a adaptação espacial independentemente da velocidade das cintas da passadeira, a adaptação temporal só é afetada quando as manipulações são ipsilaterais ao lado da passadeira com a velocidade mais rápida. Esta diferente lateralização sugere que a adaptação espacial e temporal pode ser processada independentemente no cerebelo ou em áreas motoras que recebam projeções do mesmo. No presente trabalho, identificamos as regiões que recebem projeções do interposed nucleus e examinamos a sua contribuição para a adaptação espacial e temporal. Em primeiro lugar, demonstramos que o interposed nucleus envia projeções excitatórias para o thalamus, red nucleus e reticular nucleus. Seguidamente, usamos DREADDs inibitórios para manipular alguns destes núcleos motores e analisar o seu envolvimento na adaptação locomotora. Diferentes regiões envolvidas especificamente em cada tipo de adaptação (espacial e temporal) foram identificadas, demostrando que estas formas de aprendizagem são processadas por circuitos neuronais distintos.

Locomotor adaptation is a basic form of learning required for stable mobility in an unpredictable environment. Locomotor adaptation has been widely studied in humans using a split-belt treadmill that controls the speed of each side of the body independently. A previous study has shown that mice adapt on a split-belt treadmill in a way that is remarkably similar to humans. Similar to human locomotor adaptation, mice learn to adapt their locomotor patterns to achieve a more symmetric gait by adjusting spatial and temporal aspects of interlimb coordination. Split-belt locomotor adaptation is a cerebellar-dependent form of learning that requires the interposed deep cerebellar nucleus. Both spatial and temporal components of locomotor adaptation are impaired by chemogenetic manipulations of the interposed nucleus. However, while unilateral manipulations of the interposed impair spatial adaptation regardless of the belt-speed condition, temporal adaptation is only affected with manipulations ipsilateral to the fast treadmill belt. This differential lateralization suggests that spatial and temporal adaptation might be processed independently in the cerebellum and/or downstream motor areas. Here, we investigate specific output pathways from the interposed nucleus and examine their contributions to spatial and temporal locomotor learning. First, we show that the interposed nucleus sends direct excitatory projections to the thalamus, red nucleus and reticular nuclei. Next, we targeted inhibitory DREADDs to some of these downstream nuclei to examine their role in spatial and temporal adaptation. We found distinct regions specifically involved in spatial vs temporal learning, demonstrating that for locomotor learning space and time are processed by differential neural circuits.