Brainstem Circuits Controlling Action Diversification

CORTICAL MOTOR MODULATION

Corticobulbar neuron recording

a

PAG

PCRt

ChR2

ChR2

CeA

Time

Time

Frequency

Frequency

ALM

ALM

Pursuit

Killing

and

Figure 5

Modulatory and regulatory upper motor centers impacting the brainstem. (a) Neurons in the ALM influence

the directional bias of licking in a delayed discrimination task. Preparatory cortical activity ramping up

during the delay period in right-sided ALM layer 5 pyramidal tract neurons with brainstem projections,

which precedes left-directional licking activity before action is initiated. Note that, during right-directional

licks, similar neuronal activity cannot be observed. (b) Predatory hunting behavior composed of pursuit and

killing phases regulated by inhibitory neurons in the CeA projecting to the PAG and the PCRt, respectively.

Only joint axonal stimulation (blue light) in both target regions elicits full behavior but in a behavioral

context-dependent manner. Abbreviations: ALM, anterior lateral motor cortex; CeA, central amygdala;

ChR2, channelrhodopsin 2; PAG, periaqueductal gray; PCRt, parvicellular reticular nucleus.

(Whelan 1996). Several recent studies have assessed the functional capacity of interacting up-

stream structures with specific brainstem or midbrain circuits to instruct or modulate specific

motor actions.

In the cortex, a fraction of layer 5 neurons, also often referred to as pyramidal tract (PT) neu-

rons, projects to subcortical areas including the colliculi, brainstem, and spinal cord (Shepherd

2013), raising the question of the nature of their influence on behavior. PT neurons located in the

anterior lateral motor cortex (ALM) and projecting to the brainstem often showed contralaterally

biased, task-related activity before movement onset during a sensorimotor delayed discrimination

task involving directional licking (Li et al. 2015) (Figure 5). Interestingly, bilateral ALM silenc-

ing during the motor planning phase randomizes licking direction but does not abolish licking in

general (N. Li et al. 2016), indicating a modulatory role for these neurons possibly by acting on

brainstem targets to orchestrate specifically the licking direction. In a more complex motor task

involving the learning of a skilled forelimb movement, learning-related changes in PT neuron

activity in the motor cortex provide a possible cellular mechanism for how movement refinement

occurs during learning (Peters et al. 2017), but whether this is implemented through interaction

with brainstem circuits is currently unclear. Together, these studies suggest a role for cortical neu-

rons that project to the brainstem and spinal cord in modulating the activity of specific circuits in

response to behavioral requirements involving fine aspects of motor performance and learning.

www.annualreviews.org

•

Circuits Controlling Action Diversification

497

Annu. Rev. Neurosci. 2019.42:485-504. Downloaded from www.annualreviews.org

 Access provided by Koc University on 06/13/21. For personal use only. 

---

NE42CH23_Arber

ARjats.cls

May 29, 2019

7:37

It is also interesting to understand interactions between different types of subcortical neurons

and the brainstem. The central amygdala (CeA) sends long-range inhibitory projections to dis-

tinct centers in the midbrain and brainstem (Tovote et al. 2015). Specifically manipulating CeA

projections to the periaqueductal gray (PAG) or the PCRt revealed their differential contribution

to hunting or killing behaviors, respectively (Han et al. 2017) (Figure 5). Coincident optogenetic

stimulation of axonal terminals in both target areas was sufficient to elicit a complete predatory

hunting sequence. Interestingly, however, some effects were only observed in the presence of natu-

ral or artificial prey, suggesting a context-dependent component in the ability to elicit the behavior

(Han et al. 2017). The PAG also receives different inputs from the hypothalamus and superior col-

liculus involved in regulating distinct locomotor modes ranging from freezing to escaping (Evans

et al. 2018, Li et al. 2018).

Some basal ganglia regions, including the output structure substantia nigra pars reticulata

(SNr), also project to motor-related areas in the brainstem (Arber & Costa 2018, Mena-Segovia

& Bolam 2017). Although functional studies linking basal ganglia projections to the brainstem

are rare, the revealed neuronal coding within these circuits allows for an interesting hypothesis

to be developed. Neurons in the striatum, the major basal ganglia input structure, encode vari-

ous behavior-related parameters, with specific populations preferentially active during different

behaviors such as grooming, locomotion, turning, or rearing (Barbera et al. 2016, Klaus et al.

2017, Parker et al. 2018). Such specific activity patterns are likely transferred and processed be-

tween functionally related cell populations within connected basal ganglia circuitry. Indeed, the

SNr also harbors action-specific neuronal coding, and this information might be differentially fed

toward brainstem circuits (Arber 2012, Jin & Costa 2015, Jin et al. 2014, Mena-Segovia & Bolam

2017, Rossi et al. 2016, Tecuapetla et al. 2016).

These results lead to the hypothesis that subcortical regions contain channels to specific brain-

stem centers to aid in the selection and execution of certain motor behaviors depending on con-

text. In contrast, direct cortical inputs to the brainstem might rather act as behavioral modulators,

allowing adaptation according to behavioral needs, challenges, and motivations.