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宋建人课题组揭示编码运动速度的脊髓神经环路基础

来源:医学院  发表时间:08/24/2018 阅读次数:2213
      人和动物的行走、奔跑、游泳、爬行等运动行为被称为脊髓躯体运动(Locomotion),其两个基本特点是左右交替进行(Left-right alternation)和节律性(Rhythmicity)。控制脊髓躯体运动的神经中枢位于脊髓腹侧的运动区域,定义为“脊髓中央模式产生器 (Spinal Central Pattern Generator, 脊髓 CPG)” 1。 脊髓CPG神经环路的主要组成神经元是由轴突投射向同侧的兴奋性谷氨酸能中间神经元,轴突投射向对侧的抑制性甘氨酸能中间神经元以及胆碱能运动神经元组成1, 2。同侧投射的兴奋性谷氨酸能中间神经元肩负着设定整个神经网络的兴奋性和节律性的作用1, 2
      在胚胎发育过程中,受Shh和 BMPs两种不同形态生长因子的浓度梯度在脊髓背侧和腹侧对神经祖母细胞分化的调控,脊髓运动网络的神经元被分化为V0, V1, V2, V3 中间神经元和运动神经元2。这个分化方式在脊椎动物(鱼类,两栖类和哺乳类动物)的脊髓中被很好的保留。其中V2a神经元是同侧投射的兴奋性谷氨酸能中间神经元的一种,表达转录因子蛋白Chx10 2。 在斑马鱼脊髓神经环路中,通过光遗传学的方法激活脊髓V2a神经元,能够诱发脊髓运动。这说明脊髓V2a神经元是脊髓CPG中设定兴奋性和节律性的重要神经元,与运动速度相关;可以激活脊髓CPG神经环路,驱动运动神经元,激活肌肉,引发运动。
01
示意图 脊髓运动神经环路模块化结构

      在前期和此研究中,课题组采用成年斑马鱼的ex-vivo模型,通过全细胞膜片钳记录对V2a神经元进行了一系列的细节研究。通过双通道膜片钳记录的方法,课题组发现快速,中速或者慢速V2a神经元选择性地分别与快速,中速或者慢速的运动神经元形成强突触连接;然而其他组合突触连接却很弱或者没有连接。由此可见脊髓CPG神经环路中兴奋性的传递是模块化的结构,可分为快速,中速和慢速三个V2a-MN模块。随着运动速度由慢至快的增加,慢速V2a-MN模块首先激活,由慢速V2a神经元驱动慢速运动神经元完成慢速运动,随后越来越多的中速和快速V2a神经元激活,从而激活中速和快速V2a-MN模块,实现运动速度的增加。
02
簇发式和非簇发式放电V2a神经元电生理特性(A, C),形态学(B, D)和功能(A, C)的多样化

      进一步研究发现,V2a神经元根据电生理特性(放电模式)可以进一步分为簇发式放电和非簇发式放电模式。 簇发式放电V2a神经元放电时同时释放多个动作电位,从形态学上来说其轴突是下行性投射,并且轴突与运动神经元形成的突触位置是位于运动神经元的树突上;然而非簇发式放电V2a神经元放电时每次只产生一个动作电位,从形态学上来说其轴突发生了分叉投射,其中一条轴突上行投射,另外一条轴突下行投射,并与运动神经元在胞体上形成突触。簇发式放电V2a神经元在其形成突触连接的运动神经元上产生了巨大的突触叠加效应;这个突触叠加效应依赖于突触后的NMDA受体。通过计算和分析,研究发现激活慢速运动神经元只需要约2个簇发式放电V2a神经元,激活中速运动神经元需要约6个V2a神经元,然而激活快速运动神经元却需要超过40个V2a神经元。由于本身脊髓V2a数目限制,脊髓运动神经环路可以自由的产生慢速和中速运动速度,然而却很难产生快速运动。这与现实相似,现实中我们可以慢速运动很长时间,然而却很难保持长时间快速运动。
      该项研究成果首次从脊髓神经元的功能多样化角度解释了编码脊髓运动速度的神经环路基础,为研究脊髓神经元亚分类、神经环路构成以及相关疾病打下基础。研究以“V2a interneuron diversity tailors spinal circuit organization to control the vigor of locomotor movements”为题目,发表于Nature Communications (https://www.nature.com/articles/s41467-018-05827-9)。同济大学为第一作者和共同通讯作者单位,合作单位是瑞典卡罗林斯卡医学院神经科学系。该研究得到了中组部青年千人计划、国家自然科学基金、中央高校基础研究基金和国家重点研发计划等基金支持。

 
 

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