【学术前沿】Nature封面文章 | 历时八年，线虫神经联结图谱全解析

从神经元到各种行为之间是如何映射的，一直是科学家们想要解决的问题。早在19世纪，Paul Broca第一次通过尸检证明了语言缺陷与大脑特定区域相关，该区域后来被称为Broca区。

Paul Broca（ 28 June 1824 – 9 July 1880）

为了对行为与神经系统之间的关系进行系统而全面的解析，2019年7月3日，爱因斯坦医学院的Scott W. Emmons研究组在Nature上发文题为Whole-animal connectomes of both Caenorhabditis elegans sexes，对秀丽隐杆线虫的神经图谱进行全解析，为解决神经系统与其功能之间的关系提供了概念上的重要突破。

秀丽隐杆线虫作为重要的模式生物，通体透明且神经系统构成简单，可以作为神经系统及其功能研究的重要依托。为了对动物的行为进行进一步的理解，不仅需要对细胞的底物和神经环路进行识别同时还需要对于这些电信号是如何整合并输出成为动物的行为进行研究。因此，对于一个能够覆盖完整的神经系统的联结图谱的需求呼之欲出。Scott Emmons研究组对线虫中两个成年性别（雌雄同体与雄性）神经系统的联结图谱进行解析（图1）。

图1 线虫雌雄同体与雄性神经系统分布图

前人已有一些关于神经中枢联结图谱的解析【1】，虽然都不够全面和深入，但这些数据是线虫神经科学研究的基础，为神经系统网络结构的研究和动态变化过程的检测提供了重要的依据，有助于神经网络结构的建立和发展。Scott Emmons研究组通过一系列新的电子显微镜的图像增加了雄性头部神经环路的重建包括神经环、逆行神经节等研究内容，并对先前雌雄同体的研究重新注解。该种重建方法是定量的并且基于突触的大小，从而能够对神经系统进行量化的图标分析和神经网络分析。

由于没有哪些电子显微镜的照片能够完全覆盖整个线虫，为了生成完整个体的联结图谱作者们将来自不同系列的图像进行组合并重建，需要通过对重复的区域进行分析将有间隙的区域进行联结。雌雄同体线虫的联结图谱具有460个节点（302个神经元，132块肌肉组织以及26分非肌肉末端器官），而雄性的联结图谱则包括579个节点（385个神经元，155块肌肉组织以及39个非肌肉末端器官）(图2)。该二维图谱的建立是基于感觉信息流信号途径的计算分类以及感觉神经元与末端器官之间较少数量的突触联结以及网络结构的前馈特点。

图2 线虫雌雄同体与雄性的神经联结图谱

线虫的两种性别之间的联结图谱存在着显而易见的不同，那么这种不同对于两种性别之间的行为上的不同又是如何施加影响的呢？作者对两种性别的神经联结图谱与例如身体运动和交配等行为之间的不同进行了解析。

线虫在觅食和运动过程能中的移动是由身体上排成4列的95块体壁肌肉而产生的。154个神经元具有神经肌肉连接，在这其中作者们将108个神经元作为输入肌肉运动信息的运动射神经元，他们大部分的信息都是输出到肌肉之上，因此这108个神经元的主要功能是肌肉控制。这些神经元可以分为三个大组，一部分是头部运动神经元，另一部分是腹神经索运动神经元以及外侧分支运动神经元。这些外侧分支神经元之前的研究并不完整，因为在电子显微镜下的成像没有被完全采集到。线虫的运动形态来自于肌肉紧张，而且是由这三组运动神经元的总和输入造成的。三大类别的运动神经元之间的分布与相互交流过程是非常复杂的（图3）。因此，想要完全解析线虫的运动过程与神经系统之间的关系还需要进一步建立基于完整结构的分析方法，并将线虫的行为状态与神经信号输出所建立的网络相结合。

图3 运动系统中涉及到的众多神经元

有一本书叫做《男人来自火星女人来自金星》，讲述了两种性别之间在行为上的巨大差异。Scott Emmons研究组通过对两种性别的神经联结图谱进行分析后发现，雌雄同体的线虫与雄性线虫在神经系统和末端器官之间也存在巨大的差异。在雌性同体的线虫中有8个神经元和16块性别特异的肌肉而在雄性的线虫中则有91个神经元和39块性别特异的肌肉。这些性别特异性神经元与294个神经元相联系存在与神经系统之中。联结到性别头部性别共享的中央环路中的性别特异性神经元具有两个功能：调节生殖活动中的行为并且调节性别特异性食欲决定。这些不同对于今后对线虫两种性别的行为解析提供了重要的基础。

Scott Emmons研究组关于线虫中联结图谱建立的工作，极大地扩展了线虫分支运动神经元的表征、对性别信号通路中中间神经元的鉴定以及建立了神经元之间信号传输的层级结构，进一步强调了联结组学对于研究神经系统与动物行为之间关系的重要作用。从Broca时代，神经科学家们就一直致力于寻找到行为相对应的神经系统的结构以及细胞组成。Scott Emmons研究组线虫联结图谱全解析的工作为人们建立新颖的模型、解析神经系统与行为之间的关系、为后续的实验研究提供了重要而全面的知识基础。

据本文一作Steve Cook的Twitter推文表示，该工作从2011年开始，历时八年完成。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1352-7

1.Jarrell, T. A. et al. The connectome of a decision-making neural network. Science 337, 437-444, doi:10.1126/science.1221762 (2012).

来源：BioArt