科研人員闡明秀麗隱桿線蟲運動控制的重要規則

近日，中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家研究中心、生命科學學院、中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心教授溫泉研究組結合實驗和理論，提出整合下行通路信號、本體機械感受反饋、中樞模式發生器等神經肌肉動力學的模型來深度解析秀麗隱桿線蟲前進運動控制的神經環路機制。該成果以Descending pathway facilitates undulatory wave propagation in Caenorhabditis elegans through gap junctions為題，發表在《美國國家科學院院刊》(PNAS)上。

動物需要持續執行協調運動，在此過程中，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。產生這種信號的是具有內稟節律的神經元或者神經環路，科學家稱之為中樞模式發生器（Central pattern generator, CPG）。中樞模式發生器之間完善的耦合機制是協調持續運動的重要基礎。儘管中樞模式發生器的節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整它們的狀態；此外，中樞神經系統的下行命令信號也在耦合中樞模式發生器和調整運動模式中發揮著重要作用。

深刻理解運動控制需要把以上描述定量化，並與新的理論預測和實驗相比較。為此，溫泉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、鈣動態成像和計算模型等手段，他們發現線蟲控制肌肉的運動神經元組成了分散式中樞模式發生器；此外下行通路神經元利用其與運動神經元形成的電突觸可直接抑制或激活運動神經元，觸發其由穩態到振蕩活動的轉換。有趣的是，某些身體中部的中樞模式發生器有比正常前進運動高得多的振蕩頻率，那麼線蟲是如何最終協調這些不同頻率的呢？他們發現，同樣由運動神經元負責傳導的自頭部到尾部的本體感受信號調製了整個身體的運動頻率，最終展現出了連貫的前進運動。

溫泉研究組的工作表明，秀麗線蟲的神經系統雖數值簡單，但功能複雜。為了實現運動控制的演算法操作，線蟲把高等動物中不同種類神經元的功能壓縮至同一類神經元，成就某種極簡主義。研究數值簡單的系統更利於獲得清晰的物理圖像並從中找到保守的工作原理。溫泉研究組的發現對於人們系統理解運動神經環路並建立完整的數學模型做出了關鍵努力。

該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，少年班學院物理專業本科生邵帥參與了數學建模工作，同時該工作還有多倫多大學教授鎮梅研究組的參與。該項目得到了中科院百人計劃（溫泉）、國家自然科學基金（溫泉）和加拿大健康研究所基金（鎮梅）的支持。

圖：(A) 線蟲前進運動環路電突觸連接示意圖。下行通路神經元與控制背側和腹側肌肉的所有前進運動神經元之間都有電突觸連接。(B) 線蟲身體後部產生高頻擺動示意圖。當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，位於線蟲身體中部的CPG開始展現出來其內稟高頻率並驅動尾部擺動。(C) 線蟲協調前進運動的神經環路模型。下行通路神經元通過電突觸連接與運動神經元感受的本體感受信號，共同協調分散式中樞模式發生器產生連貫的前進運動。

來源：中國科學技術大學

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