Front Mol Neurosci︱高尚邦课题组解析运动神经元震荡子的构成与分子机制

撰文︱余   彬

责编︱王思珍

节律运动（比如步行、呼吸等）一般是由中间神经元构成的中枢模式发生器（central pattern generator，CPG）环路驱动[1]。CPG是一种自主的神经元或神经网络，在没有感觉或下行输入的情况下产生有节奏的神经电活动输出[2]。由于高度的进化保守，CPG广泛存在于脊椎动物和无脊椎动物的神经系统中[3]。

高尚邦课题组以及领域同行最近发现了线虫兴奋型A类运动神经元（A motor neurons，A-MNs）构成了一个类似于CPG的分布式振荡器网络，首次揭示了运动神经元震荡子[4-6]也能驱动运动节律发生（图1）。然而，节律性活动模式是如何由运动神经元震荡子构成的，以及其背后的分子基础尚不清楚。

图1 秀丽隐杆线虫作为多种运动状态的动态耦合的运动模型示意图。

（图引自：Quan Wen et al., Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci, 2018）

2022年3月16日，华中科技大学生命科学与技术学院的高尚邦课题组在《分子神经科学前沿》（Frontiers in Molecular Neuroscience）上发表了题为“Motor Rhythm Dissection from the Backward Circuit in C. elegans”的研究论文，揭示了运动神经元震荡子的振荡特性是如何在分子细胞水平上构成的。博士生余彬为第一作者，博士生王涯为第二作者，高尚邦教授为通讯作者。在此项研究中，作者发现运动神经元输出的节律性突触后电流（rPSCs）实际上由多个组分构成，至少有6种不同离子通道参与了A-MNs-rPSCs的调控。

线虫兴奋型A类运动神经元介导后退运动。作者利用光遗传技术分离出纯后退运动环路，使用在体电生理技术记录肌肉细胞的电信号，发现线虫A型运动神经元震荡子电活动实际上由三种不同的节律放电（rPSCs）组分构成，分别是快速放电的phasic-type、较慢发放电的tonic-type、以及长时程放电的long-lasting-type（图2）。

图2 三种类型的复合rPSCs构成了A型运动神经元震荡子CPG。

（图源：Yu Bin et al., Front in Mol Neurosci, 2022）

已知神经元放电依赖于神经细胞膜上的各类离子通道，比如电压门控钠离子、钙离子通道以及抑制性钾离子通道等。作者结合线虫分子遗传突变体筛选优势，发现两种电压门控钙离子通道EGL-19（L型电压门控钙通道）、UNC-2（P,Q型电压门控钙通道）对上述A-MNs-rPSCs具有正向调节作用，具体而言，在egl-19缺失功能突变体中，tonic-type rPSCs的放电频率和放电量都显著降低，而在egl-19功能增强突变体中，较慢发放电的tonic-type rPSCs的放电量显著增加，提示L型电压门控钙通道EGL-19对tonic-type rPSCs具有重要作用。同样的方法，发现P,Q型电压门控钙通道UNC-2对tonic-和phasic rPSCs都具有作用。有意思的是，作者还发现电压非依赖的钠离子漏通道NCA（钠离子漏通道），对三种rPSCs都具有正向调控作用，说明不同节律放电具有不同的分子机制。的确，作者进一步分析了多种抑制性钾离子通道突变体，发现大电导电压门控钾离子通道SLO-1特异性调控tonic-和phasic-type rPSCs，而钠离子激活钾通道SLO-2、电压门控钾通道SHL-1不同程度抑制tonic-和long-lasting-type rPSCs。因此，该研究从分子细胞水平初步揭示了运动神经元震荡子的部分工作机理（图3）。

图3 不同离子通道对rPSCs及其行为的影响。

（图引自：Yu Bin et al., Front Mol Neuroscie, 2022）

文章结论与讨论，启发与展望

综上所述，该研究结合光遗传、电生理和分子遗传技术，解析了运动神经元震荡子中枢模式发生器（CPG）的分子组成，得到以下几个重要结论：（1）三种类型的节律放电构成了运动神经元震荡子的节律活性。（2）节律放电本质上调控线虫后退运动。（3）多种不同的Ca²⁺、Na⁺和K⁺通道调控不同类型的节律放电模式。（4）不同离子通道对节律放电的多功能调控，通过增加或减少节律放电的频率和/或电荷，显著影响后退运动速度。运动神经元是如何协调不同类型的节律放电模式？作者推测，每个运动神经元都能够生成所有类型的节律放电模式，但具体工作模式细节还需要进一步研究。

本研究展示了运动神经元产生三种类型节律放电驱动后退节律运动，这些节律放电可以单独或同时发生，但没有明确的顺序关系。节律放电的产生是有相位规律的还是自发的，以及放电的顺序如何决定后退节律运动在很大程度上是未知的。在实验中，作者也观测到短暂的不同于rPSCs或mPSCs的放电现象。这些放电事件之间的关系目前尚不清楚，也还需要进一步的探索。

总之，该研究揭示了运动神经元震荡子产生多种类型的节律放电，不同的节律放电需要多种通道参与，节律放电的频率和电量的变化会影响运动速度。

原文链接：https://doi.org/10.3389/fnmol.2022.845733

第一作者余彬（一排左二），第二作者王涯（二排左二），通讯作者高尚邦（二排左五）

（照片提供自：华中科技大学高尚邦课题组）

高尚邦，理学博士，华中科技大学生命科学与技术学院教授，博士生导师。依托分子生物物理教育部重点实验室，重点研究运动产生、维持和调控的神经环路与分子机制。研究团队正在运动传导速率机制以及全脑成像等方面开展进一步研究工作，欢迎感兴趣的研究生和博士后加盟！请邮件联系：[e-mail]。（http://faculty.hust.edu.cn/gaoshangbang/zh_CN/index.htm）

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1, Grillner, S. (2006). Biological pattern generation: the cellular and computational logic of networks in motion. Neuron 52, 751-766.

2, Marder, E., and Bucher, D. (2001). Central pattern generators and the control of rhythmic movements. Current biology: CB 11, R986-996.

3, Katz, P. S. (2016). Evolution of central pattern generators and rhythmic behaviors. Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series B, Biological Sciences, 371, 20150057.

4, Gao, S., Guan, S.A., Fouad, A.D., Meng, J., Kawano, T., Huang, Y.C., Li, Y., Alcaire, S., Hung, W., Lu, Y., et al. (2018). Excitatory motor neurons are local oscillators for backward locomotion. eLife 7. 10.7554/eLife.29915.

5, Xu, T., Huo, J., Shao, S., Po, M., Kawano, T., Lu, Y., Wu, M., Zhen, M., and Wen, Q. (2018). Descending pathway facilitates undulatory wave propagation in Caenorhabditis elegans through gap junctions. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 115, E4493-e4502.

6, Wen, Q., Gao, S., and Zhen, M. (2018). Caenorhabditis elegans excitatory ventral cord motor neurons derive rhythm for body undulation. Philosophical transactions of the Royal Society of London. Series B, Biological sciences 373.

制版︱王思珍

本文完