脊髓光遗传刺激揭示状态依赖性肌肉协同的神经编码机制及其运动控制意义

这篇研究通过光遗传学(optogenetics)刺激Thy1-ChR2小鼠脊髓中间神经元，结合碳纳米管纤维(CNTF)电极记录和肌电(EMG)分析，首次揭示了上游脊髓中间神经元通过"肌肉场"(muscle field)动态编码不同状态下的肌肉协同(muscle synergies)。研究发现尽管基础协同模式保持稳定，但相同神经元在不同刺激条件(SST/SSAT/CoST)下可匹配不同协同模块，表明脊髓网络通过状态依赖的神经可塑性实现运动模块的灵活重组，为理解复杂运动控制的神经机制提供了新视角。

　　

神经表征与肌肉协同的匹配机制

研究团队采用Thy1-ChR2转基因小鼠模型，通过精确的光遗传刺激激活脊髓腰骶段兴奋性中间神经元，同时使用柔性碳纳米管纤维(CNTF)电极记录神经元活动，并同步采集六组后肢肌肉的肌电(EMG)信号。通过尖峰触发平均(SpTA)技术构建的"肌肉场"显示，上游中间神经元（位于Rexed V-VI层，深度561±70 μm）的激活模式与通过非负矩阵分解(NNMF)提取的肌肉协同高度匹配，相似度达0.83±0.1。值得注意的是，这些神经元的突触后效应表现为较宽的半峰宽(19.6±4.1 ms)和短潜伏期(-0.4±4 ms)，表明其通过多突触通路间接调控运动神经元池。

状态依赖的协同编码特性

在单光纤阈值刺激(SST)、超阈值刺激(SSAT)和双光纤共刺激(CoST)三种条件下，研究发现相同神经元的肌肉场呈现动态变化：

1. SST→SSAT转变中，80%案例显示协同"合并"(merging)现象，即新肌肉场可由原始协同与另一SST协同线性组合而成
2. SST→CoST转变主要引发"不匹配"(unmatched)模式(占比71%)，表现为全新协同组合
3. 仅29%的肌肉场在跨条件中保持稳定，而90%的肌肉协同本身保持结构稳定

这种动态性可通过神经环路模型解释：在SSAT条件下，高强度刺激通过轴突分支同时激活额外的前运动中间神经元(PreM-IN)，导致原始肌肉场与新增场的合并；而在CoST条件下，第二刺激点招募的抑制性PreM-IN会阻断特定肌肉激活，形成新的协同组合。

神经活动与协同激活的分离现象

研究观察到关键现象：单个神经元的放电频率与其匹配协同的激活系数(C_corres)无显著相关性(P=0.123)，但与某些非匹配协同系数(C_prefer)反而存在弱相关(P=0.00633)。这提示肌肉协同的时间激活模式可能由神经元群体而非单个神经元编码，与Takei等人在灵长类中的发现形成呼应。

理论意义与转化价值

该研究首次系统论证了脊髓中间神经网络的"状态依赖编码"特性：

1. 基础协同作为"核心基础设施"由PreM-INs维持稳定
2. 上游中间神经元通过动态肌肉场实现模块化重组
3. 感觉传入和下行输入通过改变网络状态调控协同选择

这种灵活编码机制解释了生物体如何在多变环境中产生稳定运动，为脊髓损伤康复提供了新靶点。采用的CNTF电极技术（直径15 μm，包裹2 μm聚对二甲苯绝缘层）因其优异的机械顺应性，为长期在体研究提供了新工具。研究局限在于麻醉状态可能影响网络动力学，未来需要在清醒动物模型中进一步验证。