中國(guó)科大闡明秀麗隱桿線蟲運(yùn)動(dòng)控制的重要規(guī)則
近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)微尺度國(guó)家實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)和理論，提出整合下行通路信號(hào)、本體機(jī)械感受反饋、中樞模式發(fā)生器等神經(jīng)肌肉動(dòng)力學(xué)的模型來深度解析秀麗隱桿線蟲前進(jìn)運(yùn)動(dòng)控制的神經(jīng)環(huán)路機(jī)制。該結(jié)果以Descending pathway facilitates undulatory wave propagation in Caenorhabditis elegans through gap junctions發(fā)表在《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》上(Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, PNAS)。
動(dòng)物需要持續(xù)執(zhí)行協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)。在這過程中，空間模式和時(shí)間序列上精確編碼的振蕩信號(hào)控制著身體不同部位的肌肉。產(chǎn)生這種信號(hào)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(jī)制是協(xié)調(diào)持續(xù)運(yùn)動(dòng)的重要基礎(chǔ)。盡管中樞模式發(fā)生器的節(jié)律活動(dòng)可以在沒有感覺輸入的情況下維持，但是動(dòng)物身體本體感受信號(hào)和其他機(jī)械感受信號(hào)的反饋可以在運(yùn)動(dòng)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(hào)也在耦合中樞模式發(fā)生器和調(diào)整運(yùn)動(dòng)模式中發(fā)揮著重要作用。
深刻理解運(yùn)動(dòng)控制需要把以上描述定量化，并以新的理論預(yù)測(cè)和實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)的小蟲全身透明且僅有302個(gè)神經(jīng)元，給定量研究提供了可能。通過綜合運(yùn)用分子遺傳、光遺傳、鈣動(dòng)態(tài)成像和計(jì)算模型等手段，他們發(fā)現(xiàn)線蟲控制肌肉的運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)神經(jīng)元形成的電突觸可直接抑制或激活運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元，觸發(fā)其由穩(wěn)態(tài)到振蕩活動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(hào)調(diào)制了整個(gè)身體的運(yùn)動(dòng)頻率，最終展現(xiàn)出了連貫的前進(jìn)運(yùn)動(dòng)。
圖一(A) 線蟲前進(jìn)運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(dòng)示意圖。當(dāng)用光遺傳瞬時(shí)抑制的方法，切斷線蟲身體前部的下行信號(hào)和本體感受反饋時(shí)，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(dòng)尾部擺動(dòng)。(C)線蟲協(xié)調(diào)前進(jìn)運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)神經(jīng)元感受的本體感受信號(hào)，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(yùn)動(dòng)。
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(jiǎn)單，但功能復(fù)雜。為了實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制的算法操作，線蟲把高等動(dòng)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(jiǎn)主義。研究數(shù)值簡(jiǎn)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(duì)于我們系統(tǒng)理解運(yùn)動(dòng)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(shí)該工作還有多倫多大學(xué)鎮(zhèn)梅教授研究組的參與。該項(xiàng)目得到了中國(guó)國(guó)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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