“逃”+“跑”=“逃跑”：控制兩種本能行為時序發生的的神經環路

責編 | 兮

面對複雜的生存環境，人類以及動物通常需要採用一系列連貫的運動行為組合來完成特定的目標任務。以籃球運動中的灌籃為例，運動員需用奔跑、起跳和扣籃三種在時間及空間上有序而緊密銜接的動作完成。目前針對運動控制神經環路的研究主要聚焦於對單一運動行為，然而對複雜的序列行為的神經機制研究相對較少。

2021年7月20日，同濟大學

宋建人

教授團隊在

Current Biology

雜誌上發表文章

A neuronal circuit that generates the temporal motor sequence for the defensive response in zebrafish larvae

，

採用幼年斑馬魚作為該研究的動物模型，對有害刺激誘發防禦性逃跑反應中的控制序列運動行為產生的神經環路進行了深入地研究。

首先研究者透過高頻（500幀每秒）相機拍攝的方式，鑑定出在斑馬魚的防禦性逃跑行為是由“逃”與“跑”（前行遊動）兩種行為在時間上有序組合

（圖1）

。動物用“逃”來改變身體和運動方向（圖2中綠色模組）；用“跑”來快速遠離危險因素（圖2中紫色模組）。

圖1。 高頻相機輔助鑑定幼年斑馬魚防禦性逃跑反應中的序列運動行為“逃”與“跑”

研究者使用全細胞膜片鉗技術啟用單個Mauthner細胞（誘發“逃”行為的運動命令神經元），可穩定地誘發斑馬魚產生防禦性逃跑序列行為，這表明Mauthner細胞啟用是誘發防禦性反應的關鍵。研究者結合多通道全細胞膜片鉗記錄、雙光子成像、鐳射消除等一系列方法，發現Mauthner細胞是透過啟用中腦兩側nMLF（之前研究表明：啟用斑馬魚中腦兩側nMLF可產生前行的游泳行為）神經元，從而誘發“跑”（游泳）行為。進一步的研究發現Mauthner細胞興奮中腦兩側nMLF內神經元是透過啟用顱中繼神經元 （Cranial relay neurons， CRNs）。進一步使用鐳射消除離體（ex vivo）和在體（alive）幼年斑馬魚雙側CRNs之後，相同的有害刺激僅誘發斑馬發生“逃”行為而不發生“跑”行為。

綜上，此研究揭示硬骨魚類的神經系統透過將Mauthner細胞、顱中繼神經元 （CRNs）和內側縱束核（nMLF）以特定的突觸聯接，形成神經訊號單方向傳遞的鏈狀神經環路構造；此鏈狀神經環路構造賦予動物在危險情況下使用複雜的序列運動迅速改變運動方向，快速逃離危險源，大大提高生存機率的重要本能行為。

本研究將為我們瞭解脊椎動物大腦控制序列運動行為提供依據。

圖2。 斑馬魚防禦性逃跑行為產生的鏈狀神經環路構造

據悉，同濟大學博士研究生

許璐璐

和同濟大學副教授

關娜

為論文共同第一作者，同濟大學

宋建人

教授為通訊作者。本研究得到中科院神經科學研究所

杜久林

研究員和上海交通大學附屬第九人民醫院和精準醫學研究員

華雲峰

研究員的支援和指導。

原文連結：

https://doi.org/10.1016/j.cub.2021.06.054