单细胞图谱揭示中间神经元如何协调行走及其他节律性运动

　　

脊髓中有一类神经元，它们负责处理和协调来自大脑和周围神经系统的信息，并将信息传递给运动神经元。这些被称为中间神经元的细胞在指导运动神经元的活动方面发挥着至关重要的作用。

不过，中间神经元的异质性程度，以及这种多样性与运动功能方面的关系仍不清楚。

圣裘德儿童研究医院的研究人员近日构建了V1中间神经元的单细胞转录组图谱。基于这份资源，他们鉴定出与行走等节律性运动速度相关的中间神经元亚群。

这项研究成果于8月10日发表在《Nature Communications》杂志上，对了解脊髓功能及损伤后的恢复具有重要意义。

通讯作者、圣裘德儿童研究医院的Jay Bikoff博士表示：“了解不同神经元的作用能让我们更深入地了解这些脑-肌神经回路的运作方式，这对于脊髓损伤后的康复可能至关重要。”

“提供这个单细胞数据库并展示如何利用它来理解功能，是朝着这一目标迈出的第一步。”

为了构建细胞图谱，研究人员利用单细胞核测序技术测定了小鼠模型中V1中间神经元的基因表达。随后，他们根据分子特征将这些细胞分为更小的亚群，并创建了一个数据库供其他研究人员使用。

有了这张图谱，研究团队得以回答一个长期存在的问题：脊髓如何维持节律性运动？

对于许多生理过程，比如行走或呼吸，神经系统会形成一种中枢模式，让人们无需刻意关注动作就能有节奏地活动。先前的研究表明，V1中间神经元在控制某些节律性行为的速度方面发挥着重要作用。

在小鼠模型中去除这些神经元会减慢节律，并导致肢体屈伸出现问题。然而，由于V1中间神经元包含许多不同的亚群，科学家们并不清楚运动速度和屈伸模式是由相同的细胞控制，还是由不同的细胞负责。

研究人员发现，V1转录因子En1的缺失会选择性地扰乱节律性运动输出的频率，但不会干扰肢体的屈伸运动，从而将归因于这一神经元群体的两种关键功能作用分离。

“我们发现运动速度减慢和过度屈曲是可以分离的，这表明它们可能由不同的细胞控制，”Bikoff说。

“有趣的是，我们发现V1Pou6f2亚群的缺失仅与运动速度减慢有关，这表明这些神经元控制着我们身体节律性运动的速度，但与屈曲或伸展无关。”

这项研究展示了如何利用单细胞图谱对大量神经元进行细分，从而更好地了解各个组分。通过将基因表达模式与调控不同功能的特定细胞联系起来，该数据库为研究人员提供了一种检验脊髓回路新假说的方法，这可能对治疗脊髓损伤或神经退行性疾病具有重要意义。

“我们证明了这种单细胞中间神经元数据库可作为一种资源，帮助我们解析多功能细胞群如何分解成各个组成部分，”Bikoff谈道。“我们还证明了它可以揭示尚未被发现的生物学机制，从而帮助我们找到新方法来改善脊髓损伤患者的康复。”