Cell亮点推荐：解答神经生物学谜题

　　

生物通报道：德国马普发育生物学研究所的Ralf Sommer研究团队，对不同行为模式的线虫进行了突触连接谱（connectome）比较，首次确定了行为模式与神经元突触连接之间的关联。他们比较了两种线虫（以细菌为食的秀丽隐杆线虫Caenorhabditis elegans和食肉/杂食的Pristionchus pacificus）的咽部神经系统，发现其神经元连接方式存在巨大差异。

神经元连接模式如何反映特定行为，这是神经生物学领域的一大谜题。此前，由于技术限制且需要分析的数据太多，这一问题一直没能得到解答。现在，Dan Bumbarger及其同事选择对C. elegans和P. pacificus的咽部神经系统进行比较，这一系统仅由二十个神经元组成，并且高度独立于机体其它神经系统。这二十个神经元调节咽部肌肉的收缩，负责摄取食物并在肠道消化前进行加工。

Bumbarger制备了Pristionchus线虫的超薄切片，并将其咽部神经系统的突触数量和定位与C. elegans数据进行了比较。尽管线虫很小，但数据生成和分析仍花费了三年多时间，研究人员对线虫150微米长的咽部区域制备了三千多个切片，需要分别在电镜下成像和分析。

研究人员惊讶的发现，依据神经元的形状和定位，P. pacificus咽部区域的20个神经元都能与秀丽隐杆线虫该区域的神经元相对应。“这很惊人，因为这两种线虫的进化距离超过两亿年，而且它们的进食行为和嘴部解剖结构明显不同。” C. elegans只吃细菌，而P. pacificus在细菌稀少的情况下能够捕食其它线虫。

上述差异表现在神经突触的数量和定位上。C. elegans这二十个神经细胞中只有九个是主要激活肌细胞的运动神经元，而P. pacificus有19个运动神经元和一个中间神经元（在神经细胞之间建立连接）。“这意味着二者的信息流有着本质的不同，” Ralf Sommer说。显然，P. pacificus的运动调控更为复杂，这正符合该线虫的食肉特性。

科学家们对整个网络中的各个神经元和突触连接进行了比较分析。研究显示，P. pacificus咽部前端的两个神经元很重要，它们作为运动神经元调节肌细胞活动从而控制嘴部运动，尤其是C. elegans所不具有的牙齿运动。“嘴部在食肉行为时特别活跃，而不是在吃细菌的时候，” Sommer解释道。在C. elegans中，这两个神经元则完全是中间神经元。研究显示，两种线虫咽部系统的后端也存在显著差异。C. elegans在那里有特化肌肉“grinder”，用于粉碎其唯一食物来源——细菌。而P. Pacificus并没有这种结构，这里的一些肌肉细胞丧失了与神经元的突触连接。

“突触的连接模式完美地反映了P. pacificus和C. elegans摄食行为的基本差异，” Ralf Sommer总结道，这一结论出乎他的意料。因为此前人们曾对神经环路更为简单的Aplysia进行研究，当时认为行为模式差异并不一定与突触数量和定位相符，神经元的生理特性差异或神经递质的调节就足以影响行为。

 

（生物通编辑：叶予）

生物通推荐原文摘要：

System-wide Rewiring Underlies Behavioral Differences in Predatory and Bacterial-Feeding Nematodes

The relationship between neural circuit function and patterns of synaptic connectivity is poorly understood, in part due to a lack of comparative data for larger complete systems. We compare system-wide maps of synaptic connectivity generated from serial transmission electron microscopy for the pharyngeal nervous systems of two nematodes with divergent feeding behavior: the microbivore Caenorhabditis elegans and the predatory nematode Pristionchus pacificus. We uncover a massive rewiring in a complex system of identified neurons, all of which are homologous based on neurite anatomy and cell body position. Comparative graph theoretical analysis reveals a striking pattern of neuronal wiring with increased connectional complexity in the anterior pharynx correlating with tooth-like denticles, a morphological feature in the mouth of P. pacificus. We apply focused centrality methods to identify neurons I1 and I2 as candidates for regulating predatory feeding and predict substantial divergence in the function of pharyngeal glands.