Cell子刊:全能的神經元
日期:2012-11-22 08:50:41
小而透明的秀麗隱桿線蟲Caenorhabditis elegans只有302個神經元,長期被用于研究神經系統將感知轉化為行動的機制。近日,哈佛大學的一項新研究發現,線蟲簡單神經系統中有種神經元具有驚人的復雜性。文章于十一月二十一日發表在Cell旗下的Neuron雜志上。
研究顯示這種線蟲神經索(相當于線蟲的脊髓)中的一類神經元既具有感知功能又具有運動功能。包括人在內的絕大多數生物通過不同神經元來收集感官信息和傳遞運動信號,而C. elegan將整個感知運動環路整合到了一種運動神經元中。
“這是一種出乎所有人意料的全新回路,”文章資深作者Aravi Samuel說。研究人員發現把線蟲放在潮濕環境中它們就會游泳,而將其放在平面上它們就會爬行,這使他們好奇線蟲如何控制這些行為,而答案應該就在于信息的反饋。Samuel介紹到,這是一種本體感覺反饋(proprioceptive feedback),大腦通過這一過程來理解身體姿勢和協調行走。而令研究者們感到疑惑的是,線蟲只有302個神經元其神經系統卻足以接收這樣的反饋。
為此研究人員采用了微流體設備,這種像設備由柔軟的硅橡膠組成,在充入空氣或液體時會改變形狀。這樣的設備可以單獨限制線蟲中部,而讓其頭和尾部可以自由活動。結果很明顯,線蟲頭部可以繼續運動,但尾部靜止不動。
實驗很簡單,但研究者們從中得到了很有用的信息,尾部是在感知身體中部的運動而運動。而這與水蛭和七鰓鰻等類似動物的運動方式大不相同。研究人員介紹道,如果限制其他動物身體中段的運動,它們的頭和尾都可以獨立運動。研究人員指出線蟲的感知運動反射弧在體內呈鏈式分布,其運動從頭部傳導尾部。隨后研究人員又強迫線蟲中部彎曲,再次印證了這一理論。
研究人員構建了含有光敏蛋白的基因工程線蟲,可以通過激光控制特定細胞的激活和失活,通過這種光遺傳學技術他們證實線蟲運動神經元兼具感知神經元的功能。一開始,線蟲尾部能夠根據中部運動而彎曲,但當激光使控制該運動的神經元失活時,使線蟲尾部固定在一個位置。
研究人員指出,整個感知運動環路就位于這些神經細胞中,這一現象也印證了一條生物學界的基本規則,一個生物的神經元越少各個神經元就越“聰明”。這種反饋向人們展示了一種全新的運動控制系統,頭部不需要告知身體每個部分該如何運動,只用發出一個主要命令,身體其余部分就會在感知運動環路的控制下陸續做出反應。
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