在《本能的研究》（The Study of Instinct）一书中，Tinbergen 提出动物行为由一系列肌肉活动模式组成的层级结构所组织。例如，在刺鱼筑巢行为中，包括挖掘、材料测试、打孔和粘合等一系列行为，每个行为又可以进一步细分为更精细的动作。这种跨越多个时间尺度的嵌套结构构成了行为层级，其中跨越较长时间尺度的行为模块位于层级的顶端。这一理论在经典动物行为学研究中得到了详细阐述与验证，并且近年来通过现代机器学习方法得到了进一步发展。例如，对果蝇行为的客观分类和关系量化显示了所有可观察行为模式之间令人惊讶的树状结构。
人们普遍认为行为层级源于运动控制的神经层级结构：代表特定行为状态的神经编码是稀疏的，集中在中枢；而参与肌肉协同作用的神经表现则越靠近外周越密集，并具有更快速的动态。多种动物模型的研究似乎支持这一观点。例如，在斑胸草雀歌唱中，前运动核高位声核（HVC）的投射神经元在整个歌曲序列中的某一特定时刻发出稀疏且短暂的脉冲，而下游核RA的神经元（负责向控制鸣管的运动神经元发送信号）则表现出密集且多变的放电。类似地，在斑马鱼幼鱼的觅食状态中，抑制游动、促进捕食的行为由背缝核（dorsal raphe）中稀疏神经群的持续活动表示，而快速眼睛收敛和身体J形转弯等狩猎行为由中脑和后脑多个区域的快速脑活动表示。在小鼠攻击状态中，位于下丘脑的腹内侧核（ventromedial hypothalamus nucleus）中神经群的缓慢变化的神经活动代表了这一状态，而更快速的动态行为序列则由下游核内侧前视区（medial preoptic area）中的不同神经元群编码。
模式机理图（图片源自PNAS）
然而，自然行为中嵌套时间模式的神经机制仍然知之甚少。模式生物秀丽隐杆线虫（Caenorhabditis elegans）由于其不同时间尺度上行为的神经基础已被详细研究，为深入理解这一层级问题提供了机会。例如：
顶层：秀丽隐杆线虫的探索行为包括两种策略：移出食物后的局部搜索和食物长期缺乏后的全球分散。在有食物存在时，其觅食行为也表现为两种状态：驻留和漫游。两类神经元，即释放血清素的神经分泌运动神经元/雌雄同体特异性神经元（NSM/HSN）和释放色素扩散因子（PDF）神经肽的后腹侧突起/前腹侧突起（PVP/AVP），分别在调节驻留和漫游状态中起对立作用。
中层：线虫运动由前进、后退和转弯组成。局部搜索与更高频率的后退和转弯相关，而全球分散则促进前进运动并抑制后退。近期对固定和自由行为线虫的神经群体的钙成像研究表明，不同中间神经元群的持续活动分别代表了特定的运动状态。例如，AVB/AIY/RIB在前进时表现出高钙活动，而AVA/RIM/AIB在后退时表现出高活动。通过兴奋性和抑制性神经元组之间的相互作用，以及“胜者为王”的动作选择策略，控制了行为的有序和灵活的顺序转换。
底层：方向运动需要全身快速的节律性波动。线虫的前进运动由B型运动神经元和头部运动神经元驱动，而后退运动由A型运动神经元驱动。例如，AVB的下行输入对于触发B型运动神经元的节律性活动至关重要，而AVA在后退时通过促进A型运动神经元的活动实现这一功能。此外，AIB/RIM通过抑制SMD运动神经元来抑制头部运动。
日益积累的实验证据表明一种组织跨时间尺度行为的框架：每一层级的神经活动具有其固有时间尺度，这由神经元的生物物理特性、神经元组内的相互作用以及神经调质的影响共同决定。自顶向下的前馈输入主要用于选择和门控多样的时间模式。然而，这种结构是否完全为前馈式仍存在疑问。早期的研究挑战了这一观点，例如 Kaplan 等发现，通过外源性表达组氯通道对SMD头部运动神经元的持续抑制不仅削弱了前进中的头部弯曲活动，还延长了后退的持续时间。类似地，对中段B型运动神经元小部分的光遗传学抑制可以在高强度光照下使整个线虫失去活动能力，或在低光强度下减慢其运动。这些结果表明，在各时间尺度上重新配置运动回路动态的逆行信号的存在。
受前人研究启发，作者发现线虫头部运动回路中的一类中间神经元SAA在调控低层级和高层级行为动态的时间尺度上具有双重作用。SAA神经元通过缝隙连接或化学突触与头部运动神经元（如SMB/SMD/RMD）建立了广泛联系。在短时间尺度上，SAA调节头部弯曲运动学并协调前进中的波动传播。在长时间尺度上，作者发现SAA对RIM（一种整合运动状态的控制中心神经元）的反馈抑制促进了后退终止并影响了运动状态之间的随机转换。这种从低层级到高层级回路的反馈补充了传统的严格自顶向下策略；作者认为，在金字塔式结构中引入回路为控制行为提供了更高效和更稳健的方式。
原文链接：
https://doi.org/10.1073/pnas.2410789121
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