Control of mammalian locomotion by ventral spinocerebellar tract neurons
作者：Joshua I. Chalif, María de Lourdes Martínez-Silva, John G. Pagiazitis, Andrew J. Murray, George Z. Mentis
期刊：Cell
发表时间：2022/01/20
Locomotion is a complex behavior required for animal survival. Vertebrate locomotion depends on spinal interneurons termed the central pattern generator (CPG), which generates activity responsible for the alternation of flexor and extensor muscles and the left and right side of the body. It is unknown whether multiple or a single neuronal type is responsible for the control of mammalian locomotion. Here, we show that ventral spinocerebellar tract neurons (VSCTs) drive generation and maintenance of locomotor behavior in neonatal and adult mice. Using mouse genetics, physiological, anatomical, and behavioral assays, we demonstrate that VSCTs exhibit rhythmogenic properties and neuronal circuit connectivity consistent with their essential role in the locomotor CPG. Importantly, optogenetic activation and chemogenetic silencing reveals that VSCTs are necessary and sufficient for locomotion. These findings identify VSCTs as critical components for mammalian locomotion and provide a paradigm shift in our understanding of neural control of complex behaviors.
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束神经元（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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