中國(guó)科大闡明秀麗隱桿線蟲產(chǎn)生穩(wěn)健而靈活運(yùn)動(dòng)的神經(jīng)環(huán)路機(jī)制和算法
近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院、合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家研究中心、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在eLife 期刊上在線發(fā)表題為Flexible motor sequence generation during stereotyped escape responses的長(zhǎng)篇研究論文。該研究結(jié)合實(shí)驗(yàn)和理論分析，揭示出秀麗隱桿線蟲（以下簡(jiǎn)稱線蟲）在逃逸行為中產(chǎn)生穩(wěn)健而靈活運(yùn)動(dòng)的神經(jīng)環(huán)路機(jī)制和算法。
生物體的運(yùn)動(dòng)行為既井然有序又豐富多樣。一般認(rèn)為，這是由一系列保守的基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)模塊靈活組合而成。為了探索和適應(yīng)環(huán)境，神經(jīng)系統(tǒng)是如何產(chǎn)生復(fù)雜多變的運(yùn)動(dòng)序列仍然是未解之謎。
有序而多樣的運(yùn)動(dòng)序列示意圖
溫泉教授研究組以線蟲為研究對(duì)象，探究生物體產(chǎn)生穩(wěn)健而靈活運(yùn)動(dòng)序列的神經(jīng)環(huán)路機(jī)制。線蟲是一種理想的研究神經(jīng)生物學(xué)的模式生物，其神經(jīng)系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單但功能齊全，成蟲只有302個(gè)神經(jīng)元，約6400個(gè)化學(xué)突觸以及約890個(gè)電突觸(White et al., 1986)。在20世紀(jì)80年代，線蟲完整的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)結(jié)圖譜就被White JG等人通過電鏡重構(gòu)到突觸分辨率級(jí)別，為神經(jīng)環(huán)路的研究打下了基礎(chǔ)(White et al., 1986)；線蟲通體透明，非常適合以光學(xué)的方式對(duì)神經(jīng)元活動(dòng)進(jìn)行操控和監(jiān)測(cè)；線蟲的運(yùn)動(dòng)模式簡(jiǎn)潔但不簡(jiǎn)單，是結(jié)合實(shí)驗(yàn)和理論研究運(yùn)動(dòng)控制的理想模型。
線蟲逃逸行為示意圖
線蟲在受到外界潛在危險(xiǎn)和威脅時(shí)，例如機(jī)械刺激或者熱刺激，會(huì)穩(wěn)健地觸發(fā)逃逸行為。這種逃逸行為具有保守的組成模塊（前進(jìn)運(yùn)動(dòng)，后退運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)），但是每個(gè)運(yùn)動(dòng)模塊的出現(xiàn)序列和延續(xù)時(shí)間卻大不相同。綜合光遺傳技術(shù)、鈣成像技術(shù)、和計(jì)算建模，研究組發(fā)現(xiàn)：模塊之間的興奮性前饋通路可以解釋為何外界刺激能穩(wěn)健地觸發(fā)某種運(yùn)動(dòng)序列；而不同運(yùn)動(dòng)模塊之間又通過相互抑制實(shí)行贏家通吃(Winner-take-all)，從而實(shí)現(xiàn)不同運(yùn)動(dòng)方式之間的靈活轉(zhuǎn)移。短時(shí)程突觸可塑性以及神經(jīng)系統(tǒng)的內(nèi)稟噪聲也在調(diào)控運(yùn)動(dòng)時(shí)序過程中扮演重要角色。借助線蟲的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)結(jié)圖譜和分子生物學(xué)技術(shù)，研究組進(jìn)一步鑒定出前饋的神經(jīng)通路依賴于中間神經(jīng)元和運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元之間的電突觸；模塊之間的相互抑制則依賴上游神經(jīng)元釋放谷氨酸能神經(jīng)遞質(zhì)和下游神經(jīng)元表達(dá)相應(yīng)的氯離子通道。
線蟲逃逸行為的現(xiàn)象學(xué)模型
本研究在線蟲這一簡(jiǎn)潔緊湊的神經(jīng)系統(tǒng)中，鑒定出實(shí)現(xiàn)靈活而穩(wěn)健運(yùn)動(dòng)的神經(jīng)環(huán)路算法；為理解更高等生物運(yùn)動(dòng)控制的基本原理提出了一種可能；也為下一代類腦機(jī)器的設(shè)計(jì)提供了靈感和思路。
本論文的共同第一作者為溫泉教授研究組研究生汪園、張曉倩和卡內(nèi)基梅隆大學(xué)研究生辛琦（科大物理系本科），通訊作者為溫泉教授，同時(shí)該工作還有多倫多大學(xué)鎮(zhèn)梅教授研究組、馬薩諸塞醫(yī)學(xué)院的Mark J. Alkema教授研究組的參與。該項(xiàng)目得到了國(guó)家自然科學(xué)基金（溫泉），中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（溫泉），廣東省重點(diǎn)領(lǐng)域研發(fā)計(jì)劃（溫泉）和加拿大健康研究所基金（鎮(zhèn)梅）的支持。
文章鏈接：https://elifesciences.org/articles/56942
中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院、合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家研究中心、中科院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心
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