许献忠教授Cell发表封面文章

　　

生物通报道  来自密歇根大学的研究人员在模式生物线虫中，揭示出了单一神经元是如何能执行多种功能的，这是第一次阐明这一基本的生物学机制并理解了人类的大脑。他们的研究被刊登在最新一期（11月6日）的《细胞》（Cell）杂志封面上。

领导这一研究的是现为密歇根大学生命科学研究所生命科学教授、密歇根大学医学院分子与整合生理学教授的许献忠（Shawn Xu）博士。许教授早年毕业于武汉大学，其实验室主要研究方向是探讨神经科学和生理学方面的一些基础问题。

线虫是数量最多的动物之一，寄生于动植物，或自由生活于土壤、淡水和海水中。因为结构简单、代谢单一、身体透明便于观察，它们和小鼠、果蝇、斑马鱼等都成为科学家们最爱的实验动物。

去年，许献忠研究组利用线虫开展研究在Cell及其子刊Cell Metabolism杂志上接连发表了两项重要的成果。他们发现，寒冷空气能够激活一种在线虫神经细胞和脂肪细胞中发现到的、被称作TRPA1的通道蛋白受体，让钙离子进入细胞内，由此产生的一连串信号最终到达一个控制寿命的基因。而这种精细的基因调控程序不仅存在于线虫这样的冷血动物，也存在于包括人类在内的温血动物中。从而为低温可使人长寿这一传统观点有了真正的科学依据（延伸阅读：中外学者Cell挑战旧理论：长寿的冷方法 ）。

此外，他的研究组还发现存在于槟榔中的一种生物碱：槟榔碱，能够重建线虫的体壁肌肉，刺激动物神经元，令这些线虫重新恢复活动力，重绽青春。这不仅阐明了遗传模式化动物中功能性衰老的发生过程，也为减缓这两种衰老速度提供了药理干预的可能性。这两项研究成果获得了科学界广泛的关注。

而在这篇最新的Cell封面论文中，许献忠实验室报告称发现在线虫中一个神经元可以同时调控线虫移动的速度和方向。单个神经元可通过多个下游神经回路来传送信息，每个神经回路都控制着一种特定的行为输出信号。

许献忠说：“了解神经系统以及一些基因导致行为的机制是神经科学中的一个基本问题，我们想要弄清楚，线虫是如何能够利用它们的小型神经系统来执行各种不同的复杂行为的。”

线虫的神经系统简单，只包含302个神经元，因此常被用作为研究感觉、运动和其他神经系统功能的模型。

许献忠说：“科学家们认为，尽管人类拥有数十亿的神经元，但其中一些执行了多种功能。在线虫中看到的这一机制将有助于理解人类的大脑。”

研究人员发现，所研究的模式神经元AIY至少调控了两种不同的运动输出信号：移动速度和方向转换。AIY与两个神经回路发生了互作，一个是抑制性的，控制了线虫移动方向的改变；第二个是兴奋性的，控制了速度。

许献忠说：“我们应该注意到，这两个回路与其他的神经元之间有联系，有可能彼此之间相互串扰。行为的神经控制非常的复杂。”

（生物通：何嫱）

生物通推荐原文摘要：

Encoding of Both Analog- and Digital-like Behavioral Outputs by One C. elegans Interneuron

Model organisms usually possess a small nervous system but nevertheless execute a large array of complex behaviors, suggesting that some neurons are likely multifunctional and may encode multiple behavioral outputs. Here, we show that the C. elegans interneuron AIY regulates two distinct behavioral outputs: locomotion speed and direction-switch by recruiting two different circuits. The “speed” circuit is excitatory with a wide dynamic range, which is well suited to encode speed, an analog-like output. The “direction-switch” circuit is inhibitory with a narrow dynamic range, which is ideal for encoding direction-switch, a digital-like output. Both circuits employ the neurotransmitter ACh but utilize distinct postsynaptic ACh receptors, whose distinct biophysical properties contribute to the distinct dynamic ranges of the two circuits. This mechanism enables graded C. elegans synapses to encode both analog- and digital-like outputs. Our studies illustrate how an interneuron in a simple organism encodes multiple behavioral outputs at the circuit, synaptic, and molecular levels.