脊髓前运动网络驱动抓挠行为中屈肌与伸肌交替的神经机制研究

这篇研究通过构建神经力学模型，揭示了脊髓中央模式发生器（CPG）中兴奋性V2a神经元与抑制性V1/V2b神经元协同调控抓挠节律的机制。研究结合遗传操作与计算建模，阐明了模块内抑制（intra-module inhibition）对节律频率的关键调控作用，为理解哺乳动物快速节律行为（如运动、抓挠）提供了模板。

　　

引言

动物界多样的节律行为（如游泳、行走、抓挠）由脊髓中央模式发生器（CPG）调控。尽管运动CPG已被广泛研究，但哺乳动物中神经元群体如何相互作用产生适应性节律仍不明确。本研究以更简单的抓挠反射为模型，聚焦同侧投射的脊髓CPG神经元——V1、V2a和V2b神经元在快速节律生成中的协作机制。

抓挠反射的运动学分析

抓挠行为表现为后肢高频振荡（2-15 Hz，峰值6 Hz），主要由踝关节屈伸驱动。氯喹注射诱导的小鼠抓挠行为可分为三个阶段：接近（肢体屈曲）、节律振荡（围绕颈部的屈伸）和终止（肢体回位）。运动学追踪显示，抓挠频率和幅度存在显著个体内和个体间差异，验证了其作为研究节律发生模型的可行性。

兴奋性V2a神经元驱动高频振荡

cFos标记显示V2a和V1神经元在抓挠中活跃。通过交叉遗传策略（如hCdx2::FlpO与Cre系组合）靶向操控神经元活性：

• 消融或抑制V2a神经元：显著降低振荡频率（如消融后频率分布左移），提示Chx10-V2a神经元对快速节律的关键作用。
• 激活V2a神经元：通过hM3Dq DREADD使频率加快，且不改变抓挠次数，表明其直接调控节律速度。

抑制性神经元调控节律频率

• V1神经元消融：降低频率并减少抓挠次数，急性抑制（hM4Di）重现此表型；激活则引发运动不能（atonia）。
• V2b神经元消融：同样降低频率，但程度弱于V1，反映两者在抑制性调控中的差异贡献。

神经力学模型揭示节律发生机制

模型包含自振荡的屈肌和伸肌模块，通过抑制耦合，关键发现包括：

1. 模块内抑制（J_intra
   ^EI
   ）：增强可加速节律，通过缩短适应电流（a^iα
   ）衰减延迟实现。
2. 模块间抑制（J_inter
   ^EI
   ）：强抑制减缓节律，而弱抑制与模块内抑制协同调控频率。
3. 兴奋性突触易化：V2a神经元激活通过突触易化机制（u^Eα
   ）提升频率。

神经元群体的协同与冗余性

• V2a与V2b神经元：共消融表型类似单独消融V2a，显示功能冗余。
• V1与V2a神经元：共消融导致100%共收缩状态（co-contraction），揭示二者在维持节律中的协同作用。

讨论与进化意义

研究提出快速节律（如抓挠）可能由保守的V2a-V1微环路驱动，而V2b神经元在四肢动物中可能获得新功能。模型预测的突触强度差异和相位调控需进一步实验验证。未来需通过活体记录解析神经元放电时序，并探索波动驱动（fluctuation-driven）机制在节律生成中的作用。

资源与局限性

研究提供了可公开获取的模型代码，但受限于活体记录技术，未直接观测CPG神经元活动。肌肉模型的参数基于小鼠快肌特性，可能与其他物种存在差异。这些发现为理解运动障碍疾病（如脊髓损伤后节律异常）提供了新视角。