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在动物运动研究中，运动稳定性的神经机制尚不明确。华中科技大学研究人员以秀丽隐杆线虫（Caenorhabditis elegans）为对象，研究其运动调控。发现层级竞争抑制电路可稳定运动、确保状态转换，该成果为理解运动神经调控提供新视角。
在神秘的微观世界里，动物的一举一动都蕴含着奇妙的科学奥秘。动物的稳定运动和高效的运动转换能力，对于它们在复杂多变的环境中生存至关重要。想象一下，一只小虫子在寻找食物、躲避天敌时，精准而稳定的运动是多么关键。然而，长期以来，科学界对于这些运动背后的神经原理却知之甚少。就像在黑暗中摸索，虽然知道前方有宝藏，但却找不到打开宝藏之门的钥匙。
在哺乳动物中，运动稳定性由多个神经结构如运动皮层、基底神经节、小脑和脊髓等相互协作来调节。但在这些复杂的神经网络中，维持运动稳定的层级神经相互作用和关键信号分子仍然是未解之谜。而秀丽隐杆线虫，这种微小的生物，却因其简单而有序的神经系统，成为了科学家们探索运动控制原理的理想模型。此前，虽然已经发现了一些影响线虫前后运动转换的电路模式，但对于调节运动稳定性的电路层级关系，以及相关的分子机制，仍然缺乏系统性的认识。就好比拼图游戏，虽然已经找到了一些碎片，但还无法拼凑出完整的画面。
为了揭开这层面纱，华中科技大学的研究人员勇挑重担，踏上了探索之旅。他们开展了一系列深入的研究，旨在找出调控秀丽隐杆线虫运动稳定性的电路模式及其背后的分子机制。经过不懈努力，他们发现了层级竞争抑制电路，这一电路就像一个精密的调节器，能够稳定自发运动，并确保运动的顺利转换。这一发现意义重大，它为理解动物运动稳定性的神经调控机制提供了全新的视角，就像为黑暗中的探索者点亮了一盏明灯，照亮了前行的道路。该研究成果发表在《Nature Communications》上，引起了广泛关注。
研究人员在研究过程中，主要运用了以下几种关键技术方法：首先是光遗传学技术，通过特定的光激活或抑制神经元活动，观察线虫的行为变化；其次是电生理记录技术，用于测量神经元的电活动，深入了解神经元之间的信号传递；此外，还运用了基因编辑技术，如构建转基因线虫、进行 RNA 干扰（RNAi）实验等，精准地操控基因表达，探究基因功能。
下面让我们来详细了解一下研究结果：
- 中间神经元 PVP 调节向前运动稳定性：研究人员通过特异性消融 PVP 神经元，发现线虫的向前运动速度和持续时间显著降低，向后运动明显增加。进一步通过沉默 PVP 神经元以及激活 PVP 神经元的实验，表明 PVP 对于维持向前速度、防止过度向后启动至关重要，是确保线虫运动稳定的关键因素。
- PVP 通过使 AVB 去极化促进向前运动：激活 PVP 神经元可使线虫向前速度快速增加，抑制 PVP 神经元则效果相反。研究发现 PVP 通过化学突触信号传导调节向前运动，且 AVB 是 PVP 的直接突触后伙伴，PVP 通过使 AVB 去极化来促进向前运动。
- PVP 通过使 AVA 超极化抑制向后启动：PVP 消融或抑制会导致线虫对短暂机械刺激的向后反应时间延长。光遗传学实验表明，抑制 PVP 可使 AVA 去极化，激活 PVP 则抑制 AVA，说明 PVP 通过使 AVA 超极化来抑制向后运动。
- PVP 利用乙酰胆碱（ACh）作为关键神经递质促进向前稳定性：通过 RNAi 技术干扰 PVP 神经元中 cha-1 基因（该基因编码的胆碱乙酰转移酶对 ACh 合成至关重要）的表达，发现线虫的向前运动比例、速度和持续时间均下降，向后运动增加，证明 ACh 在 PVP 调节运动中起关键作用。
- AVB 中 ACR-15 nAChR 对 PVP 介导的向前运动的作用：研究表明，ACR-15 是 AVB 中关键的 ACh 受体，缺失 ACR-15 会显著降低 PVP 增加向前速度的能力，恢复 ACR-15 表达则可挽救这一行为，电生理记录也证实了 ACR-15 在 PVP 介导的向前运动中的重要性。
- ACC-4 和 ACC-1 对 PVP 介导的抑制向后运动的作用：在 AVA 中，ACC-4 和 ACC-1 是关键的抑制性 ACh 受体。实验显示，缺失这两个受体可消除 PVP 对向后运动的抑制作用，恢复其表达则可恢复正常的向后运动持续时间，电生理记录也验证了这一结论。
- DVC 通过使 AVA 去极化触发向后运动：DVC 是启动稳定向后运动的关键神经元。研究发现，DVC 通过与 AVA 的相互作用，使 AVA 去极化来触发向后运动，消融 AVA 会显著降低 DVC 促进向后运动的能力。
- DVC 通过谷氨酸受体 NMR1/GLR4激活 AVA：DVC 是谷氨酸能神经元，通过一系列实验发现，NMR1和 GLR4是 DVC-AVA 电路中稳定向后运动的关键突触后谷氨酸受体，缺失这两个受体可显著降低 DVC 诱导的向后运动能力。
- DVC 使 PVP 超极化但不影响 AVB：激活 DVC 可抑制 PVP，但对 AVB 无直接调节作用。这表明 DVC 可能通过抑制 PVP 来增强向后稳定性，形成了一个更高阶的竞争抑制电路，对调节运动行为具有重要意义。
- 抑制 PVP 增强 DVC 激活的向后运动效率：实验表明，抑制 PVP 可显著增加 DVC 触发的向后运动比例，激活 PVP 则抑制 DVC 诱导的向后运动，进一步证明了 DVC-PVP 高阶电路在调节运动稳定性中的关键作用。
研究结论和讨论部分指出，该研究揭示了层级竞争抑制电路确保运动稳定的神经原理。在向前运动时，PVP 激活 AVB 并抑制 AVA，维持向前稳定性；在向后运动转换中，DVC 与 PVP 相互作用形成高阶竞争抑制电路，促进稳定向后运动。这种不对称的神经组装优化了运动转换，防止冲突信号。此外，PVP 和 DVC 在运动稳定性调节中各自发挥独特作用，PVP 通过不同受体调节 AVB 和 AVA，DVC 通过激活 AVA 和抑制 PVP 来维持向后稳定。这些发现不仅为理解线虫运动稳定性提供了深入见解，也为研究其他物种的运动调控机制提供了重要参考，为揭示动物运动的神经奥秘迈出了重要一步。
