哥本哈根大學和卡羅林斯卡研究所的研究人員最近進行了一項研究：動物特定運動能力的神經(jīng)基礎(chǔ)，這種運動能力指的是橫向運動，即向左或向右移動。研究成果以Brainstem neurons that command mammalian locomotor asymmetries為題發(fā)表在近期Nature Neuroscience上，這篇論文重點研究了腦干中的一個特定神經(jīng)元群，即Chx10神經(jīng)元，在控制小鼠和四肢動物在移動時向左或向右轉(zhuǎn)動方面的關(guān)鍵作用。
這項研究的通訊作者Ole Keihn教授認為“運動是動物界普遍的一種自然行為。在脊椎動物中，節(jié)律性運動的協(xié)調(diào)主要存在于脊髓本身的回路中。為了使這些回路起作用，它們需要大腦效應(yīng)神經(jīng)元（brain effector）發(fā)出指令。”
過去的研究發(fā)現(xiàn)，大腦效應(yīng)神經(jīng)元控制著動物運動的許多方面，包括大多數(shù)哺乳動物開始運動、加速和停止的能力。然而，對動物左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)運動的神經(jīng)機制的研究較少，因此機制仍不清楚。
Keihn教授指出：“向特定方向移動的能力對幾乎所有的行為都至關(guān)重要，包括覓食、導航和逃跑。” 在之前的研究中，Keihn教授和他的同事發(fā)現(xiàn)，一類特殊的神經(jīng)元，即表達Chx10蛋白的腦干神經(jīng)元，在對稱激活（symmetrically activated）時可以導致動物停止運動。
研究伊始，研究人員們假設(shè)：當這些神經(jīng)元只在一側(cè)被激活時，產(chǎn)生一種轉(zhuǎn)向通路（turning pathway），從而使動物向左或向右轉(zhuǎn)向（圖1）。為了驗證這一假設(shè)，研究人員對小鼠大腦中的Chx10神經(jīng)元進行了基因?qū)用娴淖粉櫋＿@使得他們能夠證明這些細胞從腦干到動物脊髓的單側(cè)投射。
圖1. 深度學習方法用于追蹤自由移動的老鼠，揭示了老鼠轉(zhuǎn)彎的機制。在轉(zhuǎn)彎過程中，身體軸的順序變化由疊加的彩色棒形圖表示。圖片來自作者: Cregg, Montalant 和Kiehn.
這篇論文的第一作者Jared Cregg 博士提到：“為了證明Chx10細胞能夠控制哺乳動物體內(nèi)的不對稱運動，我們使用了多種方法，其中，我們可以通過光敏通道（光遺傳）或藥物激活的人工受體（化學遺傳）來操縱神經(jīng)細胞的活動，這些受體在腦干Chx10細胞中選擇性表達。這使我們能夠在不影響其他神經(jīng)細胞的情況下操縱這些細胞的活動，并將它們的活動直接與動物的運動行為聯(lián)系起來。”這項研究中，Kiehn教授和他的同事還研究了刺激腦干Chx10細胞在分離的腦干脊髓中的作用。有趣的是，他們發(fā)現(xiàn)Chx10細胞抑制（或可稱為破壞）肢體運動網(wǎng)絡(luò)，同時激活控制動物身體同一側(cè)軀干肌肉組織的運動網(wǎng)絡(luò)。最后，研究人員使用深度學習技術(shù)來跟蹤老鼠轉(zhuǎn)彎時的四肢和身體運動。他們的分析結(jié)果強有力地表明，腦干Chx10神經(jīng)元使得老鼠向左或向右移動，使它們的移動與較短的步長協(xié)調(diào)一致，并在轉(zhuǎn)彎一側(cè)的彎曲軀干肌肉組織。Cregg博士表示：“我們已經(jīng)確定了之前四肢動物運動中樞控制中的空白，即左右轉(zhuǎn)彎的能力。我們的研究有力地表明，Chx10神經(jīng)細胞是控制左/右運動的共同終端效應(yīng)器，這項研究為了解不同腦區(qū)如何協(xié)同工作，如何根據(jù)不同的行為需求控制左/右決策提供了線索。”這項研究為控制哺乳動物左右運動系統(tǒng)提供了依據(jù)。這項發(fā)現(xiàn)是對神經(jīng)科學領(lǐng)域價值非凡的貢獻，因為它能夠揭示與許多神經(jīng)疾病相關(guān)的運動障礙的神經(jīng)基礎(chǔ)。最后，Kiehn教授指出：“了解控制運動的大腦和脊髓基本功能的神經(jīng)回路至關(guān)重要，我們現(xiàn)在計劃研究腦干神經(jīng)元如何直接與脊髓運動回路相互作用，以及，不同的腦區(qū)如何在不同的行為環(huán)境中控制Chx10細胞。我們還想研究這種腦干回路是否有變化，這可能與帕金森病小鼠模型中出現(xiàn)的一些運動缺陷有關(guān)。”參考文獻：
Cregg JM, Leiras R, Montalant A, Wanken P, Wickersham IR, Kiehn O. Brainstem neurons that command mammalian locomotor asymmetries. Nat Neurosci. 2020;10.1038/s41593-020-0633-7. doi:10.1038/s41593-020-0633-7編譯作者：Victoria（brainnews創(chuàng)作團隊）
校審：Simon（brainnews編輯部）
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