向左走，向右走? 脑干神经元负责导航学术资讯

来源：brainnews

哥本哈根大学和卡罗林斯卡研究所的研究人员最近进行了一项研究：动物特定运动能力的神经基础，这种运动能力指的是横向运动，即向左或向右移动。研究成果以Brainstem neurons that command mammalian locomotor asymmetries为题发表在近期Nature Neuroscience上，这篇论文重点研究了脑干中的一个特定神经元群，即Chx10神经元，在控制小鼠和四肢动物在移动时向左或向右转动方面的关键作用。

这项研究的通讯作者Ole Keihn教授认为“运动是动物界普遍的一种自然行为。在脊椎动物中，节律性运动的协调主要存在于脊髓本身的回路中。为了使这些回路起作用，它们需要大脑效应神经元（brain effector）发出指令。”

过去的研究发现，大脑效应神经元控制着动物运动的许多方面，包括大多数哺乳动物开始运动、加速和停止的能力。然而，对动物左转或右转运动的神经机制的研究较少，因此机制仍不清楚。

Keihn教授指出：“向特定方向移动的能力对几乎所有的行为都至关重要，包括觅食、导航和逃跑。” 在之前的研究中，Keihn教授和他的同事发现，一类特殊的神经元，即表达Chx10蛋白的脑干神经元，在对称激活（symmetrically activated）时可以导致动物停止运动。

研究伊始，研究人员们假设：当这些神经元只在一侧被激活时，产生一种转向通路（turning pathway），从而使动物向左或向右转向（图1）。为了验证这一假设，研究人员对小鼠大脑中的Chx10神经元进行了基因层面的追踪。这使得他们能够证明这些细胞从脑干到动物脊髓的单侧投射。

图1. 深度学习方法用于追踪自由移动的老鼠，揭示了老鼠转弯的机制。在转弯过程中，身体轴的顺序变化由叠加的彩色棒形图表示。图片来自作者: Cregg, Montalant 和Kiehn.

这篇论文的第一作者Jared Cregg 博士提到：“为了证明Chx10细胞能够控制哺乳动物体内的不对称运动，我们使用了多种方法，其中，我们可以通过光敏通道（光遗传）或药物激活的人工受体（化学遗传）来操纵神经细胞的活动，这些受体在脑干Chx10细胞中选择性表达。这使我们能够在不影响其他神经细胞的情况下操纵这些细胞的活动，并将它们的活动直接与动物的运动行为联系起来。”这项研究中，Kiehn教授和他的同事还研究了刺激脑干Chx10细胞在分离的脑干脊髓中的作用。有趣的是，他们发现Chx10细胞抑制（或可称为破坏）肢体运动网络，同时激活控制动物身体同一侧躯干肌肉组织的运动网络。最后，研究人员使用深度学习技术来跟踪老鼠转弯时的四肢和身体运动。他们的分析结果强有力地表明，脑干Chx10神经元使得老鼠向左或向右移动，使它们的移动与较短的步长协调一致，并在转弯一侧的弯曲躯干肌肉组织。Cregg博士表示：“我们已经确定了之前四肢动物运动中枢控制中的空白，即左右转弯的能力。我们的研究有力地表明，Chx10神经细胞是控制左/右运动的共同终端效应器，这项研究为了解不同脑区如何协同工作，如何根据不同的行为需求控制左/右决策提供了线索。”这项研究为控制哺乳动物左右运动系统提供了依据。这项发现是对神经科学领域价值非凡的贡献，因为它能够揭示与许多神经疾病相关的运动障碍的神经基础。最后，Kiehn教授指出：“了解控制运动的大脑和脊髓基本功能的神经回路至关重要，我们现在计划研究脑干神经元如何直接与脊髓运动回路相互作用，以及，不同的脑区如何在不同的行为环境中控制Chx10细胞。我们还想研究这种脑干回路是否有变化，这可能与帕金森病小鼠模型中出现的一些运动缺陷有关。”

参考文献：

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

作者信息

编译作者：Victoria（brainnews创作团队）

校审：Simon（brainnews编辑部）

来源：brainnews brainnews

原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzI2ODEyOTE3OQ==&mid=2649573453&idx=1&sn=245ed731544a467d881f6ee3f7e6dc5e&chksm=f2edaeb9c59a27afc49ec80b3be8d1f536958ec0b45e34ee18e1a0be1d334fd875c0a5586cc7#rd

电话：（010）86409582

邮箱：kejie@scimall.org.cn