10月19日,我院宋建人教授課題組研究發(fā)現(xiàn)脊髓內(nèi)新中間神經(jīng)元,在經(jīng)典期刊《美國科學(xué)院院報(bào)》(PNAS(Direct submission))上發(fā)表題為“A specialized spinal circuit for command amplification and directionality during escape behavior”的論文。自上世紀(jì)50年代以來,以硬骨魚類Mauthner細(xì)胞系統(tǒng)為模型研究行為抉擇的神經(jīng)調(diào)控機(jī)制便已經(jīng)開始。70年來,這些研究為神經(jīng)生物學(xué)帶來了諸多概念上的突破,例如:運(yùn)動命令神經(jīng)元、非對稱電突觸結(jié)構(gòu)與功能、感覺運(yùn)動整合等。然而,對于行為抉擇背后的神經(jīng)控制機(jī)制究竟是僅僅來源于“大腦”,還是由“大腦-脊髓”共同決定長期存在爭議。該研究采用“大腦-脊髓”在體和離體模型對此進(jìn)行了深入探索。脊髓運(yùn)動神經(jīng)環(huán)路是產(chǎn)生和執(zhí)行運(yùn)動行為的基礎(chǔ)。大腦瞬時(shí)性的運(yùn)動命令通過網(wǎng)狀脊髓神經(jīng)元的長軸突傳入脊髓,激活脊髓中間神經(jīng)元。這些被激活的中間神經(jīng)元將大腦運(yùn)動命令轉(zhuǎn)化為運(yùn)動節(jié)律和模式,從而驅(qū)動運(yùn)動神經(jīng)元完成相應(yīng)運(yùn)動行為1,2。其中脊髓興奮性V2a中間神經(jīng)元(表達(dá)轉(zhuǎn)錄因子Chx10)被認(rèn)為是谷氨酸能神經(jīng)元,是脊髓運(yùn)動興奮性和節(jié)律性的設(shè)定者3,4。研究發(fā)現(xiàn)V2a神經(jīng)元參與構(gòu)建脊髓運(yùn)動的模塊化結(jié)構(gòu),并主導(dǎo)脊髓運(yùn)動速度和節(jié)律。長期以來,脊髓內(nèi)興奮性V2a中間神經(jīng)元是否參與并決定由后腦Mauthner細(xì)胞誘發(fā)的逃逸反應(yīng)一直是領(lǐng)域內(nèi)的關(guān)鍵科學(xué)問題。
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?Fig. 1. esV2a interneurons are recruited prior to pMNs and CoLo interneurons.
為了解答上述問題,研究團(tuán)隊(duì)以成年斑馬魚作為模型動物進(jìn)行了以下的研究。首先,研究者在轉(zhuǎn)基因魚系Tol-056上,通過基于全細(xì)胞膜片鉗為基礎(chǔ)的單細(xì)胞測序,電生理和形態(tài)學(xué)發(fā)現(xiàn)了一組表達(dá)Chx10的乙酰膽堿能V2a神經(jīng)元(英文簡稱為esV2a,中文翻譯為逃逸V2a神經(jīng)元),進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)其在躲避行為中被激活,并且接收到Mauthner細(xì)胞的單突觸信號傳入。這一結(jié)果與傳統(tǒng)上認(rèn)定的V2a神經(jīng)元僅僅是谷氨酸能的不同,不但證實(shí)了乙酰膽堿能V2a神經(jīng)元的存在,并且發(fā)現(xiàn)其參與了躲避行為。為了驗(yàn)證這組神經(jīng)元在escape行為產(chǎn)生神經(jīng)環(huán)路中的作用,研究者運(yùn)用了三通道全細(xì)胞膜片鉗記錄,同時(shí)記錄了Mauthner細(xì)胞、逃逸V2a神經(jīng)元和局部甘氨酸能神經(jīng)元/初級運(yùn)動神經(jīng)元。當(dāng)刺激Mauthner細(xì)胞產(chǎn)生動作電位后,逃逸V2a神經(jīng)元,隨后激活局部甘氨酸能神經(jīng)元/初級運(yùn)動神經(jīng)元。用雙光子激光消除實(shí)驗(yàn)殺掉逃逸V2a神經(jīng)元后,Mauthner細(xì)胞無法再激活局部甘氨酸能神經(jīng)元/初級運(yùn)動神經(jīng)元。雙通道全細(xì)胞膜片鉗記錄研究進(jìn)一步證明逃逸V2a神經(jīng)元可通過單突觸興奮局部甘氨酸能神經(jīng)元/初級運(yùn)動神經(jīng)元,并且脊髓內(nèi)的逃逸V2a神經(jīng)元之間存在強(qiáng)的單突觸聯(lián)接。
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?Fig. 2. Connectome of spinal escape neural circuit revealed by SBEM.
為了進(jìn)一步深入解析Mauthner細(xì)胞、逃逸V2a神經(jīng)元、局部甘氨酸能神經(jīng)元神經(jīng)元和初級運(yùn)動神經(jīng)元之間的聯(lián)接圖譜,研究者采用了大尺度三維電鏡重構(gòu)的方式對脊髓節(jié)段進(jìn)行結(jié)構(gòu)成像和環(huán)路連接分析。結(jié)果表明Mauthner細(xì)胞與逃逸V2a神經(jīng)元形成的單突觸是化學(xué)性突觸和電突觸性質(zhì),然而與局部甘氨酸能神經(jīng)元和初級運(yùn)動神經(jīng)元只形成電突觸。隨后,電生理的數(shù)據(jù)進(jìn)一步驗(yàn)證了電鏡分析的結(jié)果。以上實(shí)驗(yàn)證明脊髓逃逸V2a神經(jīng)元在可以將Mauthner細(xì)胞產(chǎn)生的躲避命令在脊髓內(nèi)進(jìn)一步放大,并且與Mauthner細(xì)胞一起共同激活局部甘氨酸能神經(jīng)元/初級運(yùn)動神經(jīng)元,完成躲避行為。進(jìn)一步對活體動物進(jìn)行雙光子消除逃逸V2a神經(jīng)元后,動物失去抉擇躲避反應(yīng)方向的能力。以上結(jié)果證明脊髓內(nèi)存在抉擇躲避行為發(fā)生的神經(jīng)環(huán)路機(jī)制。同濟(jì)大學(xué)副教授關(guān)娜和同濟(jì)大學(xué)博士研究生許璐璐為該論文共同第一作者,宋建人教授、卡羅林斯卡醫(yī)學(xué)院教授El Manira和上海精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)研究院研究員華云峰為論文共同通訊作者。研究得到中科院神經(jīng)科學(xué)研究所研究員杜久林,復(fù)旦大學(xué)腦科學(xué)研究院研究員彭剛和同濟(jì)大學(xué)醫(yī)學(xué)院研究員彭長庚的指導(dǎo)和支持。該研究得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、上海市科委重大專項(xiàng)、上海市IV類高峰學(xué)科(上海精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)研究院)、同濟(jì)大學(xué)附屬上海市第四人民醫(yī)院、同濟(jì)大學(xué)腦與脊髓臨床研究中心、同濟(jì)大學(xué)醫(yī)學(xué)院腦功能與人工智能轉(zhuǎn)化研究所等資助。
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論文鏈接:https://www.pnas.org/content/118/42/e2106785118
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