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近日,中國科學技術大學教授溫泉研究組結合實驗和理論分析,揭示出秀麗隱桿線蟲在逃逸行為中產生穩(wěn)健而靈活運動的神經環(huán)路機制和算法,破解了其“靈活”逃逸的秘密。相關成果在線發(fā)表于eLife。
通體透明的秀麗隱桿線蟲,其神經系統(tǒng)相對簡單但功能齊全,非常適合以光學的方式對神經元活動進行操控和監(jiān)測,因此是研究神經生物學的理想模式生物。20世紀80年代,秀麗隱桿線蟲完整的神經網絡聯(lián)結圖譜被科學家通過電鏡重構到突觸分辨率級別,為神經環(huán)路的研究打下了基礎。
秀麗隱桿線蟲在受到外界潛在威脅,例如機械刺激或者熱刺激時,會穩(wěn)健地觸發(fā)逃逸行為。這種逃逸行為具有保守的組成模塊,如前進運動、后退運動、轉彎運動等,但每個運動模塊的出現(xiàn)序列和延續(xù)時間大不相同。
溫泉研究組以秀麗隱桿線蟲為研究對象,探究生物體產生穩(wěn)健而靈活運動序列的神經環(huán)路機制。綜合光遺傳技術、鈣成像技術和計算建模,該研究組發(fā)現(xiàn),秀麗隱桿線蟲模塊之間的興奮性前饋通路,可以解釋為何外界刺激能穩(wěn)健地觸發(fā)某種運動序列;而不同運動模塊之間又通過相互抑制,從而實現(xiàn)不同運動方式之間的靈活轉移。短時程突觸可塑性以及神經系統(tǒng)的內稟噪聲,在調控運動時序過程中也扮演重要角色。
借助秀麗隱桿線蟲的神經網絡聯(lián)結圖譜和分子生物學技術,該研究組進一步鑒定出,其前饋的神經通路依賴于中間神經元和運動神經元之間的電突觸;模塊之間的相互抑制,則依賴上游神經元釋放有神經遞質功能的谷氨酸和下游神經元表達相應的氯離子通道。
這一成果為理解更高等生物運動控制的基本原理提出了一種可能,也為下一代類腦機器的設計提供了靈感和思路。(中國科學報 記者楊凡 通訊員桂運安)
