中國科大闡明秀麗隱桿線蟲運動控制的重要規(guī)則
近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)微尺度國家實驗室、生命科學(xué)學(xué)院、中科院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心溫泉教授研究組結(jié)合實驗和理論，提出整合下行通路信號、本體機械感受反饋、中樞模式發(fā)生器等神經(jīng)肌肉動力學(xué)的模型來深度解析秀麗隱桿線蟲前進(jìn)運動控制的神經(jīng)環(huán)路機制。該結(jié)果以Descending pathway facilitates undulatory wave propagation in Caenorhabditis elegans through gap junctions發(fā)表在《美國國家科學(xué)院院刊》上(Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, PNAS)。
動物需要持續(xù)執(zhí)行協(xié)調(diào)運動。在這過程中，空間模式和時間序列上精確編碼的振蕩信號控制著身體不同部位的肌肉。產(chǎn)生這種信號的是具有內(nèi)稟節(jié)律的神經(jīng)元或者神經(jīng)環(huán)路，科學(xué)家稱之為中樞模式發(fā)生器（Central pattern generator, CPG）。中樞模式發(fā)生器之間完善的耦合機制是協(xié)調(diào)持續(xù)運動的重要基礎(chǔ)。盡管中樞模式發(fā)生器的節(jié)律活動可以在沒有感覺輸入的情況下維持，但是動物身體本體感受信號和其他機械感受信號的反饋可以在運動中調(diào)整它們的狀態(tài)；此外，中樞神經(jīng)系統(tǒng)的下行命令信號也在耦合中樞模式發(fā)生器和調(diào)整運動模式中發(fā)揮著重要作用。
深刻理解運動控制需要把以上描述定量化，并以新的理論預(yù)測和實驗相比較。為此，溫泉教授研究組選擇研究秀麗線蟲:這一毫米長的小蟲全身透明且僅有302個神經(jīng)元，給定量研究提供了可能。通過綜合運用分子遺傳、光遺傳、鈣動態(tài)成像和計算模型等手段，他們發(fā)現(xiàn)線蟲控制肌肉的運動神經(jīng)元組成了分布式中樞模式發(fā)生器；此外下行通路神經(jīng)元利用其與運動神經(jīng)元形成的電突觸可直接抑制或激活運動神經(jīng)元，觸發(fā)其由穩(wěn)態(tài)到振蕩活動的轉(zhuǎn)換。有趣的是，某些身體中部的中樞模式發(fā)生器有比正常前進(jìn)運動高得多的振蕩頻率，那么線蟲是如何最終協(xié)調(diào)這些不同頻率的呢？他們發(fā)現(xiàn)，同樣由運動神經(jīng)元負(fù)責(zé)傳導(dǎo)的自頭部到尾部的本體感受信號調(diào)制了整個身體的運動頻率，最終展現(xiàn)出了連貫的前進(jìn)運動。
圖一(A) 線蟲前進(jìn)運動環(huán)路電突觸連接示意圖。下行通路神經(jīng)元與控制背側(cè)和腹側(cè)肌肉的所有前進(jìn)運動神經(jīng)元之間都有電突觸連接。(B)線蟲身體后部產(chǎn)生高頻擺動示意圖。當(dāng)用光遺傳瞬時抑制的方法，切斷線蟲身體前部的下行信號和本體感受反饋時，位于線蟲身體中部的CPG開始展現(xiàn)出來其內(nèi)稟高頻率并驅(qū)動尾部擺動。(C)線蟲協(xié)調(diào)前進(jìn)運動的神經(jīng)環(huán)路模型。下行通路神經(jīng)元通過電突觸連接與運動神經(jīng)元感受的本體感受信號，共同協(xié)調(diào)分布式中樞模式發(fā)生器產(chǎn)生連貫的前進(jìn)運動。
溫泉教授研究組的工作表明，秀麗線蟲的神經(jīng)系統(tǒng)雖數(shù)值簡單，但功能復(fù)雜。為了實現(xiàn)運動控制的算法操作，線蟲把高等動物中不同種類神經(jīng)元的功能壓縮至同一類神經(jīng)元，成就某種極簡主義。研究數(shù)值簡單的系統(tǒng)更利于獲得清晰的物理圖像并從中找到保守的工作原理。溫泉教授研究組的發(fā)現(xiàn)對于我們系統(tǒng)理解運動神經(jīng)環(huán)路并建立完整的數(shù)學(xué)模型做出了關(guān)鍵努力。
本論文的共同第一作者為溫泉研究組研究生許天琦、霍菁，通訊作者為溫泉教授，少年班學(xué)院物理專業(yè)本科生邵帥參與了數(shù)學(xué)建模工作，同時該工作還有多倫多大學(xué)鎮(zhèn)梅教授研究組的參與。該項目得到了中國國家自然基金（溫泉）和加拿大健康研究所基金（鎮(zhèn)梅）的支持。
文章鏈接：http://www.pnas.org/content/early/2018/04/20/1717022115
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