Nature：线虫的神经系统远比认为的更复杂

　　

生物通报道  数十年来，科学家们通过研究秀丽隐杆线虫这种微小透明的蠕虫来收集关于神经元如何发育及发挥功能的线索。近日来自哈佛大学的研究人员在新研究中证实线虫的神经系统远比从前认为的更能干和复杂，它找到了一条途径来监控线虫自身的运动，这一模型或有一天可用于开发针对精神分裂症等疾病的治疗新策略。相关论文发布在5月13日的《自然》（Nature）杂志上。

尽管大多数对于线虫神经元的研究显示每个神经元均作为一个单一的功能单位执行功能。然而在新研究中来自哈佛大学脑科学中心、有机体和进化生物学系副教授张芸（Yun Zhang，生物通译）及其同事们发现的数据表明在某些神经元中，单一神经元的不同区室显示了彼此独立的活动。这些在单个轴突的局域活动代表了自运动信号和对运动控制。

这种“分区”的神经活动通常只发现存在于更高等的生物体中；然而张芸和同事们现在证实线虫神经元的这种简单的不分支的轴突也能产生这样分区化的局部活动。在研究人员研究的称为RIA的中间神经元中，线虫利用这些局部活动编码“伴随放电”（ corollary discharge）——运动神经元发送一个运动指令“拷贝”返回中枢神经系统的现象——监控了它们身体的定位，并引导了它们环绕环境的运动。

文章的共同作者、研究员Michael Hendricks 解释说：“研究线虫的第一步就是要理解最简单的行为。看上去对于它的行为有着非常明确的A-B-C指令，但是当我们开始观测这些运动输出时，我们发现这些信号是系统中的反馈回路。”

张芸说：“我们发现在某些神经元中，突触在亚细胞水平被高度组织化。在线虫中，大部分神经元都包含一个或两个不分支进程，其中不同的突触相互紧靠。这些突触是如何能够维持所有功能特异性的？这几乎必须是局部活动。但是在单个轴突中这种分区的独立的活动以前从未在线虫神经元中得到证实。”

张芸继续说：“为何这一发现如此重要。因为线虫只有302个神经元。此前，人们简单地认为每个神经元就是一个功能模块，因此所有的大脑运算都依赖于这些模块。我们发现有可能存在更多的功能单位。这大大扩展了这一相对简单神经系统的运算能力。”

张芸说由于许多更高等的生物体也显示了分区的神经活动，这一发现使得线虫成为了一个理想的候选模型用于研究更复杂的神经系统的运作机制。在这些关键性问题中，研究人员期望线虫或可帮助他们解答伴随放电现象是如何运作的，以及它是如何有助神经可塑性的。

线虫通常通过反复摆动头部来收集感觉输入信号（例如气味和盐）与它们的环境相互作用。伴随放电至关重要是因为它使得线虫知道它应该在某个特定方向将头部转动多少，并利用这一信息结合感觉信息收入来指导下一步的行动。

张芸解释说：“伴随放电就是为何自身哈痒会不觉痒的原因。你已经将运动指令的一份拷贝传送到了大脑高速它你正在做什么。事实上，这种发生在诸如线虫的生物体中的这一现象非常重要因为人们一直推测精神分裂症患者的幻听和妄想有可能与这一系统损害有关。”通过研究线虫中的这一系统——它如何运作，它可能如何受损，以及它可能如何修复——张芸说研究人员将能够获得对于神经系统疾病例如精神分裂症更多的了解，帮助找到治疗的途径。

张芸的下一步研究是要探究大量其他线虫神经元中的潜在分区活性，了解这种分区活动与学习的相关机制，以及改变这一伴随放电系统有可能的影响。

（生物通：何嫱）

生物通推荐原文摘要：

Compartmentalized calcium dynamics in a C. elegans interneuron encode head movement

The confinement of neuronal activity to specific subcellular regions is a mechanism for expanding the computational properties of neurons. Although the circuit organization underlying compartmentalized activity has been studied in several systems1, 2, 3, 4, its cellular basis is still unknown. Here we characterize compartmentalized activity in Caenorhabditis elegans RIA interneurons, which have multiple reciprocal connections to head motor neurons and receive input from sensory pathways. We show that RIA spatially encodes head movement on a subcellular scale through axonal compartmentalization. This subcellular axonal activity is dependent on acetylcholine release from head motor neurons and is simultaneously present and additive with glutamate-dependent globally synchronized activity evoked by sensory inputs. Postsynaptically, the muscarinic acetylcholine receptor GAR-3 acts in RIA to compartmentalize axonal activity through the mobilization of intracellular calcium stores. The compartmentalized activity functions independently of the synchronized activity to modulate locomotory behaviour.