《细胞》:人为什么会走路?七十年前发现的细胞有话要说!

2022-01-24 12:50:04 学术经纬
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▎药明康德内容团队编辑

当你迈出左脚,然后右脚跟上,就完成了一次简单的步行。正因为这种行为太过简单和随意,我们可能根本没有考虑过走路这件事情是怎么实现的,即使被问到,也会不假思索地认为这就是大脑办到的。

这个答案可能只对了一半,走路的行为确实是大脑发起的,但大脑只负责提供指令,真正控制你左右交替踏步的是其他部位。

细胞》的一项新研究将目光投向了脊髓中一类被称作腹侧脊髓小脑神经元(VSCT)的细胞。这类细胞早在上世纪40年代就被科学家发现了,但长期以来,大家都认为它的功能主要是将信息从脊髓传递到小脑。

但在新研究中,哥伦比亚大学的科学家发现VSCT实际能通过精确的时间控制,向下肢发送交替的“左右左右”信号,这样每条腿的肌肉便会以特定频率交替收缩,带动肢体运动。通过荧光标记,研究者发现位于运动神经元附近的VSCT处于高度兴奋状态,这说明这两类神经元的运作和神经电活动是同步的。

最关键的是,他们通过观察小鼠的运动时的神经活动模式发现,VSCT与运动行为会保持一致的活动节律,当小鼠用四肢运动时,VSCT的电信号会格外强烈,这些结果提示VSCT很有可能在运动功能中有重要作用。

▲研究示意图(图片来源:参考资料[2])

实验采取了两种方式确认这类神经细胞的独特功能,一种是光遗传学,研究利用光来调节某些在VSCT选择性表达的蛋白质,以此来激活或抑制神经元的活动。

另外一种是传统的化学方法,他们会在VSCT中人为地表达一个药物配体,因此研究者可以通过添加药物来控制这部分神经元的激活状态。

通过构建特殊的小鼠模型,他们开始尝试利用两种方法调控小鼠VSCT的状态。比如研究者会使用光来调控小鼠VSCT的活跃状态,当VSCT被光给抑制时,新生小鼠的运动行为会立刻停止。

▲对运动至关重要的VSCT(图片来源:参考资料[2])

同样地,药物实验也产生了一样的结果,当小鼠成年后,研究者向小鼠注射了具有抑制作用的药物,一段时间后小鼠便不能自由行动了。除了在地上爬行能力受损,无论是光抑制还是药物抑制,小鼠的游泳能力同样也丧失了,它们无法在水中划动四肢,只能安静地漂浮在水面……

这些实验都指向了一个结果,VSCT对运动行为是必需的,激活VSCT可以促进运动,而抑制它们的功能,运动能力就会丧失。

这项研究对治疗一些脊髓损伤患者提供了新的见解,“比如有些患者的脊髓因外伤被切断,为了恢复患者运动功能,医生会选择重新连接脊髓和大脑,但这可能是不够的,”研究的主要作者George Mentis博士表示。在未来,医生或者还需要关注是否恢复了患者VSCT的功能。

研究团队下一步计划精确识别出VSCT与包括运动神经元在内其他神经元形成的神经回路,帮助理解神经性退行疾病的分子机制。

参考资料:

[1] Research in mice identifies neurons that control locomotion. Retrieved Jan 21th, 2022 from https://www.eurekalert.org/news-releases/940085

[2] Chalif et al, Ventral spinocerebellar tract neurons drive mammalian locomotion. Cell, DOI: 10.1016/j.cell.2021.12.014

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