Nature封面：光遺傳學解析關鍵神經(jīng)元
日期：2014-05-05 09:42:09
科學家們通過光遺傳學技術，解析了兩種幫助脊髓控制技巧性前肢運動的神經(jīng)元：第一種是運動精確性所需的興奮性中間神經(jīng)元，第二種是運動流暢性所需的抑制性中間神經(jīng)元。這一重要成果先后以兩篇文章的形式發(fā)表，并且登上了本期的Nature雜志的封面。這些發(fā)現(xiàn)有助于人們進一步理解人類的運動功能，并在此基礎上治療創(chuàng)傷或疾病引起的運動障礙。
“接球和拋硬幣看起來一點也不費力，實際上它們依賴于復雜而精細的神經(jīng)網(wǎng)絡，涉及大腦、脊髓和肌肉，”文章的資深作者，哥倫比亞大學的Thomas M. Jessell教授說。
把手移動到特定位置，需要大腦向脊髓發(fā)送信號，激活控制上肢肌肉的運動神經(jīng)元。在運動過程中，肌肉的感知信息被傳回大腦和脊髓形成反饋體系，允許對運動進行控制和調節(jié)。“不過精確運動需要實時微調，而肌肉的反饋還不夠快，”Dr. Jessell說。
研究人員推測，應該還存在一種快速的反饋形式，而這種反饋很可能來自頸脊髓的一群中間神經(jīng)元——PN（propriospinal neuron）。與許多其它的神經(jīng)元一樣，PN能發(fā)送信號給運動神經(jīng)元，但它們還有一個分支伸向小腦。這種雙分支結構，使這些神經(jīng)元能將運動信號的副本發(fā)送給大腦。不過，此前人們并不清楚這種反饋通路的具體作用。
研究人員分析了PN缺陷型小鼠的前肢運動，他們發(fā)現(xiàn)缺乏運動信號和副本信號使小鼠無法準確觸及食物球。“它們的運動非常不協(xié)調，”第一篇文章的第一作者Eiman Azim博士說。
隨后，研究人員采用光遺傳學技術，選擇性激活副本信號的神經(jīng)元分支。他們發(fā)現(xiàn)，改動副本信號會嚴重影響小鼠取食的能力。這說明，PN副本信號的通路能夠影響目標導向性的運動。另外研究人員還指出，PN副本信號非常快，足以實時校正手臂的運動。
在第二篇文章中，研究人員對脊髓的感知反饋進行了研究。這種反饋的最簡單形式是反射，比如膝跳反射。肌肉將感知信號通過直接的單突觸連接傳給運動神經(jīng)元，然而運動神經(jīng)元發(fā)出的信號令肌肉收縮。
此前有研究顯示，脊髓的中間神經(jīng)元在上述過程中具有關鍵作用，特別是釋放神經(jīng)遞質GABA抑制神經(jīng)元活性的中間神經(jīng)元。但它們絕大多數(shù)在突觸后起作用，即在突觸的接收端阻斷神經(jīng)元的激活。
“突觸后抑制會影響整個神經(jīng)元，不太可能負責感知信號的精細調節(jié)，”第二篇文章的第一作者Andrew J. P. Fink博士說。控制感知反饋的信號強度，需要中間神經(jīng)元在突觸前起作用，與感知神經(jīng)元的末端形成直接連接，從而抑制相應神經(jīng)遞質的釋放。
研究人員通過光遺傳學技術，激活了突觸前的抑制性中間神經(jīng)元，成功降低了反饋信號的強度。為了解除這些中間神經(jīng)元對反饋信號的控制。他們使其對特定毒素非常敏感。研究顯示，在調控缺失的情況下，前肢運動表現(xiàn)為震蕩和顫抖，無法精確進行。
研究人員指出，突觸前的抑制性神經(jīng)元負責調節(jié)感知反饋的強度，對于運動的流暢性至關重要。而理解這些基礎性的回路，可以幫助人們治療疾病引起的多種運動缺陷。
