科學(xué)家們通過光遺傳學(xué)技術(shù)，解析了兩種幫助脊髓控制技巧性前肢運(yùn)動(dòng)的神經(jīng)元：第一種是運(yùn)動(dòng)精確性所需的興奮性中間神經(jīng)元，第二種是運(yùn)動(dòng)流暢性所需的抑制性中間神經(jīng)元。這一重要成果先后以兩篇文章的形式發(fā)表，并且登上了本期的Nature雜志的封面。這些發(fā)現(xiàn)有助于人們進(jìn)一步理解人類的運(yùn)動(dòng)功能，并在此基礎(chǔ)上治療創(chuàng)傷或疾病引起的運(yùn)動(dòng)障礙。

“接球和拋硬幣看起來一點(diǎn)也不費(fèi)力，實(shí)際上它們依賴于復(fù)雜而精細(xì)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，涉及大腦、脊髓和肌肉，”文章的資深作者，哥倫比亞大學(xué)的Thomas M. Jessell教授說。

把手移動(dòng)到特定位置，需要大腦向脊髓發(fā)送信號(hào)，激活控制上肢肌肉的運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元。在運(yùn)動(dòng)過程中，肌肉的感知信息被傳回大腦和脊髓形成反饋體系，允許對(duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)。“不過精確運(yùn)動(dòng)需要實(shí)時(shí)微調(diào)，而肌肉的反饋還不夠快，”Dr. Jessell說。

研究人員推測(cè)，應(yīng)該還存在一種快速的反饋形式，而這種反饋很可能來自頸脊髓的一群中間神經(jīng)元——PN（propriospinal neuron）。與許多其它的神經(jīng)元一樣，PN能發(fā)送信號(hào)給運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元，但它們還有一個(gè)分支伸向小腦。這種雙分支結(jié)構(gòu)，使這些神經(jīng)元能將運(yùn)動(dòng)信號(hào)的副本發(fā)送給大腦。不過，此前人們并不清楚這種反饋通路的具體作用。

研究人員分析了PN缺陷型小鼠的前肢運(yùn)動(dòng)，他們發(fā)現(xiàn)缺乏運(yùn)動(dòng)信號(hào)和副本信號(hào)使小鼠無法準(zhǔn)確觸及食物球。“它們的運(yùn)動(dòng)非常不協(xié)調(diào)，”第一篇文章的第一作者Eiman Azim博士說。

隨后，研究人員采用光遺傳學(xué)技術(shù)，選擇性激活副本信號(hào)的神經(jīng)元分支。他們發(fā)現(xiàn)，改動(dòng)副本信號(hào)會(huì)嚴(yán)重影響小鼠取食的能力。這說明，PN副本信號(hào)的通路能夠影響目標(biāo)導(dǎo)向性的運(yùn)動(dòng)。另外研究人員還指出，PN副本信號(hào)非?？欤阋詫?shí)時(shí)校正手臂的運(yùn)動(dòng)。

在第二篇文章中，研究人員對(duì)脊髓的感知反饋進(jìn)行了研究。這種反饋的最簡單形式是反射，比如膝跳反射。肌肉將感知信號(hào)通過直接的單突觸連接傳給運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元，然而運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元發(fā)出的信號(hào)令肌肉收縮。

此前有研究顯示，脊髓的中間神經(jīng)元在上述過程中具有關(guān)鍵作用，特別是釋放神經(jīng)遞質(zhì)GABA抑制神經(jīng)元活性的中間神經(jīng)元。但它們絕大多數(shù)在突觸后起作用，即在突觸的接收端阻斷神經(jīng)元的激活。

“突觸后抑制會(huì)影響整個(gè)神經(jīng)元，不太可能負(fù)責(zé)感知信號(hào)的精細(xì)調(diào)節(jié)，”第二篇文章的第一作者Andrew J. P. Fink博士說。控制感知反饋的信號(hào)強(qiáng)度，需要中間神經(jīng)元在突觸前起作用，與感知神經(jīng)元的末端形成直接連接，從而抑制相應(yīng)神經(jīng)遞質(zhì)的釋放。

研究人員通過光遺傳學(xué)技術(shù)，激活了突觸前的抑制性中間神經(jīng)元，成功降低了反饋信號(hào)的強(qiáng)度。為了解除這些中間神經(jīng)元對(duì)反饋信號(hào)的控制。他們使其對(duì)特定毒素非常敏感。研究顯示，在調(diào)控缺失的情況下，前肢運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)為震蕩和顫抖，無法精確進(jìn)行。

研究人員指出，突觸前的抑制性神經(jīng)元負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)感知反饋的強(qiáng)度，對(duì)于運(yùn)動(dòng)的流暢性至關(guān)重要。而理解這些基礎(chǔ)性的回路，可以幫助人們治療疾病引起的多種運(yùn)動(dòng)缺陷。