Nature光遺傳學探秘：大腦如何控制運動？

日期：2016-05-06 08:52:32

如果，即使你想更快移動，但是你卻不能，會怎么樣？研究人員認為，決定著我們隨意運動有多快（例如穿過一個房間或彈鋼琴）的大腦部分，有點像一輛汽車。它有一個加速器使動作更快，也有一個剎車使它們慢下來。現在，霍華德•休斯醫學研究所的科學家們表明，與以前認為的相反，大腦這部分的“剎車”，可以加速小鼠運動，而“油門”可以控制它們。通過確定大腦如何控制運動，這一發現有助于解釋帕金森氏癥患者的系統性運動遲緩，并為某些讓患者更流暢地執行日常行動的干預措施，鋪平了道路。相關研究結果發表在5月2日的《Nature》雜志。

對于大多數人來說，走快一點是沒有問題的，但是帕金森氏癥患者難以加快他們的隨意運動。本文資深作者Joshua Dudman說：“在一段時間內，科學家們認為，好像只有剎車和油門不起作用。”為了更好地理解這種效果，他和他的同事Eric Yttri，想找出關于“基底神經節（在帕金森病中這個腦區受影響）在控制隨意運動中的正常作用”的更多信息。在基底神經節內，有兩種主要類型的神經元，已知可促進(加油)或抑制(制動)運動。

在實驗中，Yttri和Dudman使用光遺傳學技術，在特定速度運動的過程中，激活基底神經節中的神經元。通過用一束激光透過延伸到動物大腦的細光纖，研究人員可以選擇性地刺激加油或剎車神經元，以探討每組神經元如何影響未來的運動。延伸閱讀：光遺傳學突破：用光控制大腦信號通路；光遺傳學揭示大腦回路新見解。

Yttri訓練小鼠用它們的前爪移動一個小操縱桿，以得到甜飲料。操縱桿被操縱，這樣小鼠就必須做出選擇來滿足它的渴望。嚙齒動物必須足夠快地推動操縱桿，才能得到一杯水，但是如果推動過快，則浪費能源，并最終限制了它可以消費的水總量。每天，人們做出類似的關于“他們必須采取運動的多快”的決定——在午餐休息時間決定走到附近餐館的速度多快。然而，在帕金森患者中，所有動作都慢下來。

為了測量小鼠正在推動的多么有力，研究人員測量了操縱桿的速度。平均而言，一只小鼠的操縱桿運動需要大約半秒完成。Dudman和Yttri首先測試了特定運動期間在兩組神經元添加額外活動的影響。如果根據初始速度預測推動是迅速的，該設備則快速激活基底神經節中的一組或另一組神經元。利用這個過程，研究人員可以刺激小鼠有條不紊地快速推動操縱桿，或減慢未來的運動，這取決于研究人員激活的神經元群體。

這些結果與長期觀點是一致的：基底神經節中不同的神經元群體，作為運動的剎車和油門踏板。為了確定這些神經元對運動是否總是產生相同的影響，研究人員想知道，如果在小鼠緩慢推動操縱桿時激活神經元，會發生什么？在這種情況下，打開“油門”神經元不會加快動物的運動。現在，刺激可系統地減緩未來運動。當Dudman和Yttri觸發推動緩慢開始時的“剎車”神經元，他們看到了類似逆轉的結果。嚙齒動物出人意料地開始更快地移動操縱桿系統。

Dudman解釋說：“可以讓你加速或使你慢下來。”換句話說，這項研究證明釋放剎車可加速運動，釋放油門踏板可以慢運動，從而表明，我們正在使用兩種途徑相結合來調節運動速度。想象這個系統如何調整我們的運動，Dudman說，就象一個賽車手翱翔在一條軌道周圍。不是加速或減速，司機使用油門和剎車進行控制，但很快。

研究人員想知道，在帕金森病中這種控制系統是否是被中斷的。在帕金森患者中，制造化學信使多巴胺的細胞死亡。為了在小鼠中模擬這些細胞的損失，研究人員給動物注射了一種化合物，阻斷神經元上的多巴胺受體——模仿多巴胺缺乏。以前足以改變運動速度的刺激，現在卻沒有影響。

除了澄清基底神經節如何控制運動之外，這些結果對于帕金森疾病的治療，有著重要的意義。許多病人已被植入設備(腦深部刺激器)，向大腦提供電刺激以提高運動。通過在特定運動過程中選擇性地激活刺激，類似于小鼠受過的刺激，這些設備可能讓病人訪問正常的活動范圍。