鱼的精细姿态控制机制及其神经回路显

2023.03.10

鱼的精细姿态控制机制及其神经回路显

自然科学研究机构基础生物学研究所 自然科学研究机构生命创建探索中心

 
对许多动物来说，姿势控制对生存很重要。 姿势一旦改变，就会引起恢复到原来姿势的运动。 姿势稍微紊乱的时候，在陆地生物中通过稍微改变脚和身体肌肉的收缩的细微方法重新调整姿势。 另一方面，鱼不清楚是否存在微细的姿势控制机制。 基础生物学研究所/生命创建探究中心/综合研究研究生院大学的楢冈拓己研究生、谷本昌志助教、东岛眞一教授的研究小组，利用斑马鱼幼鱼致力于阐明微细的姿势控制机制及其神经回路。 结果表明，鱼也存在细微的姿势控制机制，当鱼向左右方向稍微倾斜时，由于躯干稍微弯曲，重力和浮力作用的轴会产生偏移，由此在重新倾斜的方向上产生力的力矩，从而重新调整姿势。 另外，明确了驱动这种躯体弯曲的神经回路的详细情况。 由于哺乳动物中同源神经通路对姿态控制的重要性，本研究发现该神经通路被脊椎动物保存。 今后，通过反馈此次明确的鱼类知识，可以期待更详细地阐明与包括哺乳类在内的脊椎动物整体的微细姿势控制相关的神经回路。 本研究成果将于2023年3月10日刊登在英国科学杂志Nature Communications上。

图　本研究总结

 
【研究背景】 姿势控制对许多动物来说很重要，身体倾斜会引起重整姿势的运动。 在陆地生物中，姿势稍微倾斜时，抗重力肌(小腿和背部的肌肉等)的收缩程度会稍微变化的微细方法进行重建。 我不完全知道这个姿势控制的神经回路的详细情况。 这是因为哺乳类动物涉及很多关节肌肉，而且神经系统也很复杂。 因此，我们使用了身体结构比较简单、容易进行神经回路研究的斑马鱼幼鱼进行了研究。 因为鱼和哺乳类的神经网络结构有很多共同之处，所以我认为鱼的知识对其他动物，甚至人的姿势控制相关的神经回路的阐明也有贡献，所以使用了这种鱼。 斑马鱼等鱼类中，与陆地生物中已知的细微姿态控制相对应的东西还不清楚。 本研究以明确是否存在鱼的微细姿势控制机制，如果存在的话，以其神经回路机制为目的进行了研究。

【研究成果】 研究小组首先从正面和背面观察了斑马鱼幼鱼向侧倾(右侧/左侧向上)方向倾斜时鱼的行为。 观察到背部从上方稍微倾斜时，会恢复到原来的姿势，并带有轻微的躯干弯曲(图1，视频1 https://www.nibb.AC.jp/press room/news/uploads/20230310/movie1.mp4 ) 由此表明，鱼也存在细微的姿势控制机构。 将鱼放入粘性较高的液体中，使其能够清楚地观察鱼的运动，可以更明显地观察到倾斜时的躯干弯曲(视频2https://www.nibb.AC.jp/press room/news/uploads/20230310/movie2.mp4）。

图1行为实验的方法(左)和给予倾斜刺激的鱼的行为(右) 使鱼倾斜到左侧朝下，稍微倾斜后，恢复到原来的姿势。 倾斜时，躯干稍微向右侧(倾斜上侧)弯曲(红色三角)。

動画１


動画２

研究小组认为躯干弯曲对鱼的姿势恢复有重要作用，设计了通过躯干弯曲恢复姿势的机制模型。 倾斜时的躯干弯曲使鱼的头部和尾部向倾斜上侧移动，浮袋周边部向倾斜下侧移动。 浮袋的密度远远小于其他部位的密度，因此重心(重心的作用点)和浮心(浮力的作用点)的位置会偏移。 由此，重力和浮力作用的轴产生偏移，力的力矩作用在重新调整姿势的方向上，设计了恢复原来的姿势的模型(图2 )。 

图2躯干弯曲重建姿势的模型 左图:背部以上状态下的快照和鱼的示意图。 在这种状态下，重心和浮心位于鱼的正中线上，重力和浮力在正中线上起作用以保持平衡。 右图:倾斜姿势时快照和鱼的示意图。 由于躯干弯曲，头部和尾部向倾斜上侧移动，浮袋周边部向倾斜下侧移动，因此重心和浮心偏移。 由此，重力和浮力作用的轴偏移，力的力矩作用在重整姿势的方向上。 如果这个模型正确的话，没有浮袋的鱼，身体的密度会基本均匀，所以倾斜时即使身体弯曲，重心和浮心的位置也不会偏移。 而且，由于浮力和重力作用在同一轴上，不会产生力的力矩，因此推测无法重整姿势(图3左)。 为了验证该模型，将排除了浮袋内气体的鱼倾斜时，如预想的那样，鱼无法从倾斜姿势恢复(图3右)。 这强烈提示，鱼在倾斜时会使躯干弯曲，利用从倾斜姿势向重建方向的力的力矩，背部会恢复到向上的状态(图2 )。 

图3模型验证 左图:不带浮袋的鱼的倾斜姿势的示意图。 如果图2的模型正确，倾斜时，即使躯干弯曲，重心和浮心的位置也不会偏移。 由此，重力和浮力在同一轴上作用，所以不产生力的力矩，无法从倾斜姿势重新调整。 右图:去除浮袋内气体的鱼快照。 即使给予倾斜刺激也仍然是倾斜姿势，这强烈表明图2的模型是正确的。 其次，研究小组进行了与躯干弯曲相关的肌肉和神经回路的探索。 最近研究小组开发了可以在倾斜中测量神经活动的“物镜倾斜显微镜”( https://www.nibb.AC.jp/press room/news/2022/12/21.html) 用这个显微镜调查了倾斜中的细胞群的活动。 并且，通过调查破坏观察到有活动的细胞群时躯干的弯曲程度，成功确定了躯干弯曲所需的细胞群。 在图4和视频3 ( https://www.nibb.AC.jp/press room/news/uploads/2023 03 10/movie3. MP4 )中，作为例子，我们展示了睫状体脊髓路神经元(与运动相关，向脊髓传递信息的中枢神经元)的结果。

動画３

 

图4腺样体脊髓通路神经元的活动成像与细胞破坏实验 左:右侧向上倾斜时右侧细胞群活动，左侧向上倾斜时左侧细胞群活动。 右:倾斜破坏左侧细胞群的鱼，左侧向上倾斜时向左侧的弯曲角度减少。 该结果提示腺样体脊髓通路神经元向同侧屈曲是必需的。 
通过对多个细胞群进行活动成像和细胞破坏鱼行为实验，发现躯干弯曲表现为:“①前庭神经核神经元(直接从耳接收倾斜信息的神经元组)、②睫状体脊髓路神经元(与运动相关的向脊髓传递信息的中枢神经元组)、③脊髓运动神经元，④位于浮袋旁肌肉”的神经通路和肌肉驱动(图5 )。 

图5躯干弯曲相关神经回路

 
【今后的展望】 通过本研究，首次明确了鱼在稍微倾斜时，通过躯干弯曲进行微细的姿势控制机制，以及其神经回路。 这个成果是理解鱼的生理学的重要知识。 哺乳动物中也存在从前庭神经核神经元通过睫状体脊髓路神经元到达脊髓运动神经元的神经回路。 近年来有人指出，该神经回路在哺乳类动物中对姿势控制也很重要，但本研究清楚地表明，该神经回路在斑马鱼幼鱼中也非常重要。 因此，这表明该神经回路的重要性在脊椎动物中是共通的，期待此次明确的斑马鱼中的神经回路知识，有助于更详细地阐明与哺乳类中的微细姿势控制相关的神经回路。 

【研究小组】 由基础生物学研究所神经行为学研究部门/生命创建探究中心神经网络创发研究组/综合研究研究生院大学楢冈拓己研究生、谷本昌志助教、东岛眞一教授的研究组举办。 【研究支持】 本研究是在科研经费补助金的支持下进行的。 【关于本研究的咨询方式】 基础生物学研究所神经行为学研究部门 生命创建探索中心神经网络创发研究组 教授东岛真一 TEL: [phone] E-mail: [e-mail] 【新闻负责人】 基础生物学研究所宣传室 TEL: [phone] 传真: [phone] E-mail: [e-mail] 自然科学研究机构生命创建探索中心研究战略室 TEL: [phone] 传真: [phone] e-mail:press @ excells.Orion.AC.jp