一个神经元如何调控两种不同反应?通过发出局部或全细胞信号来区分

【字体: 时间:2019年11月19日 来源:生物通

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  对于可参与两种感觉的神经元来说,一个细胞如何区分、传递和调控不同的反应?研究结果表明,线虫的主要感觉神经元分别通过发出局部或全细胞信号来区分本体感受与有害接触。新观点揭示神经元可能不是我们想象“导线”,内部还有分别传递不同信号的分工

  

在整个动物界,有的神经元可对多种刺激作出反应并忠实地传递这些不同的输入信息。例如,在小鼠身上,有些神经元对温度和潜在的伤害性触摸均有反应。在果蝇中,有的神经元可感知光、温度、疼痛和本体感觉刺激。在秀丽隐杆线虫中有两个感觉神经元被称为PVD神经元,它们分布在身体两侧,被认为可以调节本体感觉,以及对严酷的触摸和寒冷温度的反应。

现在,科学家们已经研究出单个PVD神经元是如何传递两种不同的刺激的:剧烈的触碰会导致神经元典型的放电—— 一种沿整个细胞长度传播的脉冲;而本体感觉则会在细胞的一部分引起局部反应,细胞其他部分则没有明显的参与。11月14日在《Developmental Cell》杂志上报道了这一发现。

Albert Einstein医学院的神经科学家Scott Emmons表示:“这篇论文说明了神经元的不同部分会做不同的事情,这就使整个系统的解释更加复杂。”

为了研究单个神经元如何解释不同的输入信息、从而驱动相应的行为,斯坦福大学的神经科学家Kang Shen和他的同事们重点研究了线虫被铁丝戳时由PVD神经元调节的逃逸行为、以及线虫对本体感觉刺激产生的由PVD神经元调节的正常蠕动。

神经元细胞膜上的机械刺激感受蛋白通路是神经细胞对刺激作出反应的起点,因此研究小组分析了具有由PVD产生的各种蛋白质突变的线虫,以确定不同的通路是否对不同的刺激负责。结果发现通路DEL-1、UNC-8和MEC-10是正常摆动所必需的,而不是逃跑所需;而通道DEGT-1是逃跑所必需的,但不是摆动所需。

Shen解释说,找出具体涉及的通路只是谜团的一半。目前尚不清楚细胞是如何处理这些通路下游的信息输入的。PVD神经元有巨大的分支树突,通过这些树突可以接收各种机械感觉刺激,但只有一个轴突可以将这些信息传递给下游的靶细胞。“我们努力想了解一个轴突是如何编码这两种刺激的.”Shen说。


结果发现,作用于不同通路的不同刺激会引起细胞内特定的钙反应。如果用金属丝敲打线虫,会发现树突状分枝上的钙离子会大量增加,然后进入细胞体,正如典型的神经信号。但是,当线虫只是正常摆动时,细胞体内的钙信号明显缺乏。研究人员曾以为神经细胞会按线虫身体蠕动的频率发射钙信号,但研究结果表明,树突中的钙信号的频率与摆动运动一致,但神经细胞体内的钙信号却很少见。这表明这种信号“不会传播”到树突分枝之外。

研究小组进一步证明,即使PVD神经元突触(连接下游细胞的轴突末端)的功能受到干扰,线虫的正常摆动运动仍然保持不变,但是逃逸行为被阻断了。研究结果还表明,虽然摆动并不能促进整个细胞的放电,但它确实会导致局部树突释放一种叫做NLP-12的神经肽,这对正常摆动至关重要,却不影响逃逸行为。

“看起来,在其中一种刺激(摆动)中,树突本身没有利用细胞体和轴突,就可以与其他细胞交流。。。这对我来说非常有趣,因为这表明可能有一些我们以前没有考虑过的局部事件发生,”Salk研究所的分子神经生物学家Sreekanth Chalasani说,他没有参与这项研究。“很新奇。”

事实上,研究结果表明,当使用工具——诸如光遗传学之类的,使神经元激发一个动作时,“你可能无法完全揭示细胞在做什么,”Shen说,因为“你只是在调查其活动的某个方面”。Emmons补充说,“

我们认为神经网络是“线路图”,有了电线,你在一边施加一个脉冲,然后它沿着另一边移动。但这项研究表明,神经元根本不是这样的,它们根本不是电线。他们是复杂的微型电脑。”

L. Tao et al., “Parallel processing of two mechanosensory modalities by a single neuron in C. elegans,” Dev. Cell, doi: 10.1016/j.devcel.2019.10.008, 2019.

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