《Nature Communications》：Hierarchical competing inhibition circuits govern motor stability in C. elegans
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在動物運動研究中，運動穩定性的神經機制尚不明確。華中科技大學研究人員以秀麗隱桿線蟲（Caenorhabditis elegans）為對象，研究其運動調控。發現層級競爭抑制電路可穩定運動、確保狀態轉換，該成果為理解運動神經調控提供新視角。
在神秘的微觀世界里，動物的一舉一動都蘊含著奇妙的科學奧秘。動物的穩定運動和高效的運動轉換能力，對于它們在復雜多變的環境中生存至關重要。想象一下，一只小蟲子在尋找食物、躲避天敵時，精準而穩定的運動是多么關鍵。然而，長期以來，科學界對于這些運動背后的神經原理卻知之甚少。就像在黑暗中摸索，雖然知道前方有寶藏，但卻找不到打開寶藏之門的鑰匙。
在哺乳動物中，運動穩定性由多個神經結構如運動皮層、基底神經節、小腦和脊髓等相互協作來調節。但在這些復雜的神經網絡中，維持運動穩定的層級神經相互作用和關鍵信號分子仍然是未解之謎。而秀麗隱桿線蟲，這種微小的生物，卻因其簡單而有序的神經系統，成為了科學家們探索運動控制原理的理想模型。此前，雖然已經發現了一些影響線蟲前后運動轉換的電路模式，但對于調節運動穩定性的電路層級關系，以及相關的分子機制，仍然缺乏系統性的認識。就好比拼圖游戲，雖然已經找到了一些碎片，但還無法拼湊出完整的畫面。
為了揭開這層面紗，華中科技大學的研究人員勇挑重擔，踏上了探索之旅。他們開展了一系列深入的研究，旨在找出調控秀麗隱桿線蟲運動穩定性的電路模式及其背后的分子機制。經過不懈努力，他們發現了層級競爭抑制電路，這一電路就像一個精密的調節器，能夠穩定自發運動，并確保運動的順利轉換。這一發現意義重大，它為理解動物運動穩定性的神經調控機制提供了全新的視角，就像為黑暗中的探索者點亮了一盞明燈，照亮了前行的道路。該研究成果發表在《Nature Communications》上，引起了廣泛關注。
研究人員在研究過程中，主要運用了以下幾種關鍵技術方法：首先是光遺傳學技術，通過特定的光激活或抑制神經元活動，觀察線蟲的行為變化；其次是電生理記錄技術，用于測量神經元的電活動，深入了解神經元之間的信號傳遞；此外，還運用了基因編輯技術，如構建轉基因線蟲、進行 RNA 干擾（RNAi）實驗等，精準地操控基因表達，探究基因功能。
下面讓我們來詳細了解一下研究結果：
- 中間神經元 PVP 調節向前運動穩定性：研究人員通過特異性消融 PVP 神經元，發現線蟲的向前運動速度和持續時間顯著降低，向后運動明顯增加。進一步通過沉默 PVP 神經元以及激活 PVP 神經元的實驗，表明 PVP 對于維持向前速度、防止過度向后啟動至關重要，是確保線蟲運動穩定的關鍵因素。
- PVP 通過使 AVB 去極化促進向前運動：激活 PVP 神經元可使線蟲向前速度快速增加，抑制 PVP 神經元則效果相反。研究發現 PVP 通過化學突觸信號傳導調節向前運動，且 AVB 是 PVP 的直接突觸后伙伴，PVP 通過使 AVB 去極化來促進向前運動。
- PVP 通過使 AVA 超極化抑制向后啟動：PVP 消融或抑制會導致線蟲對短暫機械刺激的向后反應時間延長。光遺傳學實驗表明，抑制 PVP 可使 AVA 去極化，激活 PVP 則抑制 AVA，說明 PVP 通過使 AVA 超極化來抑制向后運動。
- PVP 利用乙酰膽堿（ACh）作為關鍵神經遞質促進向前穩定性：通過 RNAi 技術干擾 PVP 神經元中 cha-1 基因（該基因編碼的膽堿乙酰轉移酶對 ACh 合成至關重要）的表達，發現線蟲的向前運動比例、速度和持續時間均下降，向后運動增加，證明 ACh 在 PVP 調節運動中起關鍵作用。
- AVB 中 ACR-15 nAChR 對 PVP 介導的向前運動的作用：研究表明，ACR-15 是 AVB 中關鍵的 ACh 受體，缺失 ACR-15 會顯著降低 PVP 增加向前速度的能力，恢復 ACR-15 表達則可挽救這一行為，電生理記錄也證實了 ACR-15 在 PVP 介導的向前運動中的重要性。
- ACC-4 和 ACC-1 對 PVP 介導的抑制向后運動的作用：在 AVA 中，ACC-4 和 ACC-1 是關鍵的抑制性 ACh 受體。實驗顯示，缺失這兩個受體可消除 PVP 對向后運動的抑制作用，恢復其表達則可恢復正常的向后運動持續時間，電生理記錄也驗證了這一結論。
- DVC 通過使 AVA 去極化觸發向后運動：DVC 是啟動穩定向后運動的關鍵神經元。研究發現，DVC 通過與 AVA 的相互作用，使 AVA 去極化來觸發向后運動，消融 AVA 會顯著降低 DVC 促進向后運動的能力。
- DVC 通過谷氨酸受體 NMR1/GLR4激活 AVA：DVC 是谷氨酸能神經元，通過一系列實驗發現，NMR1和 GLR4是 DVC-AVA 電路中穩定向后運動的關鍵突觸后谷氨酸受體，缺失這兩個受體可顯著降低 DVC 誘導的向后運動能力。
- DVC 使 PVP 超極化但不影響 AVB：激活 DVC 可抑制 PVP，但對 AVB 無直接調節作用。這表明 DVC 可能通過抑制 PVP 來增強向后穩定性，形成了一個更高階的競爭抑制電路，對調節運動行為具有重要意義。
- 抑制 PVP 增強 DVC 激活的向后運動效率：實驗表明，抑制 PVP 可顯著增加 DVC 觸發的向后運動比例，激活 PVP 則抑制 DVC 誘導的向后運動，進一步證明了 DVC-PVP 高階電路在調節運動穩定性中的關鍵作用。
研究結論和討論部分指出，該研究揭示了層級競爭抑制電路確保運動穩定的神經原理。在向前運動時，PVP 激活 AVB 并抑制 AVA，維持向前穩定性；在向后運動轉換中，DVC 與 PVP 相互作用形成高階競爭抑制電路，促進穩定向后運動。這種不對稱的神經組裝優化了運動轉換，防止沖突信號。此外，PVP 和 DVC 在運動穩定性調節中各自發揮獨特作用，PVP 通過不同受體調節 AVB 和 AVA，DVC 通過激活 AVA 和抑制 PVP 來維持向后穩定。這些發現不僅為理解線蟲運動穩定性提供了深入見解，也為研究其他物種的運動調控機制提供了重要參考，為揭示動物運動的神經奧秘邁出了重要一步。
