完全肌肉去神经支配触发果蝇幼虫旁观者紧张性运动神经元的代偿性出芽

《iScience》：Complete muscle denervation triggers compensatory sprouting of a bystander tonic motor neuron in Drosophila larvae

　　

运动神经元（MNs）形成精确的神经肌肉接点（NMJs），但个体MN在体内重新支配完全去神经肌肉的程度仍不清楚。在果蝇幼虫中，大多数肌肉由紧张性（Ib）和相位性（Is）MN共同支配。研究人员表明，当对一个背侧肌肉场的所有紧张性和相位性输入进行消融后，存活的紧张性MN1经历强烈的异突触出芽，并在完全去神经的肌肉上形成异位功能性NMJs。这种可塑性并非由急性或慢性沉默诱导，而是需要相邻MNs的物理缺失。纵向成像显示，出芽在幼虫孵化后不久开始，并在发育过程中扩展。相比之下，相位性MN-Is在其部分支配的肌肉场中显示出最小的重塑。定量分析表明，MN1仅适度增加其突触领域，并在原生和异位靶标之间重新分配。这些发现定义了一个完整运动回路中神经元亚型特异性的、损伤依赖性的重连。

**论文解读：完全肌肉去神经支配触发果蝇幼虫旁观者紧张性运动神经元的代偿性出芽**

**研究背景与问题**
在神经回路中，当部分神经元受到扰动时，剩余的“旁观者”神经元可能发生结构可塑性以补偿扰动并恢复回路功能。然而，不同神经元类型（如紧张性与相位性运动神经元）在应对邻近神经元扰动时是否具有相同的结构重塑能力，以及扰动形式（如物理缺失、动作电位阻断或囊泡释放阻断）是否影响旁观者神经元的可塑性反应，仍不清楚。经典研究在脊椎动物和无脊椎动物中揭示了旁观者神经元的异突触可塑性，但决定哪些神经元重塑及其如何依赖于扰动性质的细胞规则尚不明确。本研究利用果蝇幼虫神经肌肉系统，旨在明确紧张性和相位性运动神经元在邻近神经元不同扰动下的结构重塑规则。

**研究概述与结论**
研究人员在果蝇幼虫背侧纵向肌肉场中，通过遗传消融所有紧张性和相位性运动神经元，发现幸存旁观者紧张性MN1发生强烈的异突触出芽，在完全去神经的肌肉上形成功能性异位神经肌肉接点（NMJs），恢复肌肉钙活动和部分爬行行为。相比之下，相位性MN-Is在其部分支配的肌肉场中未显示显著重塑。急性或慢性沉默邻近神经元不能诱导出芽，仅引起MN1原支配突触的轻度扩张。纵向成像表明出芽在幼虫早期开始并随发育扩展。该研究发表在《iScience》，揭示了神经元亚型特异性和损伤依赖性的异突触结构可塑性规则。

**主要技术方法**
- 遗传消融与标记：使用LexA/AOP和Gal4/UAS系统驱动凋亡基因（reaper和head involution defective）在特定运动神经元中表达，并用myr-GFP或tdTomato标记旁观者MN1和相位性MN-Is的轴突。
- 活体钙成像：利用肌肉特异性GCaMP6f传感器和光遗传学沉默（GtACR1）评估肌肉活动和MN1功能。
- 纵向活体成像：在L1和L3期追踪同一半体节的MN1轴突分支。
- 行为学分析：测量向前蠕动效率（每波蠕动距离）和蠕动持续时间。
- 定量形态学分析：使用Fiji插件和线性混合效应模型（LME）量化NMJ面积、膨体数和分支点。
样本队列来源：果蝇幼虫品系购自Bloomington果蝇中心，并构建了多种转基因组合。

**研究结果**
1. **紧张性MN1在邻近肌肉完全去神经后出芽并形成异位NMJs**：当背侧肌肉场中所有紧张性和相位性MN被消融后，MN1在70.3%的腹节中形成异位分支，重新支配肌肉2、9和10。总NMJ面积和膨体数仅适度增加，但突触领域重新分配，原生肌肉1上的比例下降。轴突分支点增加，但NMJ分支点不变，表明出芽为新生轴突分支。

2. **相位性MN-Is在失去共同支配的紧张性输入后保持正常支配模式**：消融所有紧张性MN后，MN-Is的NMJ面积、膨体数和大小无显著变化，仅次级和三级轴突分支轻度减少，表明其结构可塑性潜力有限。

3. **旁观者MN1对邻近MNs的不同扰动表现出不同的结构反应**：只有物理消融（通过RPR或Gal80ts系统）诱导强出芽；急性光遗传沉默（GtACR1）仅轻微增加原支配NMJ面积和膨体数；慢性阻断释放（BoNT-C）增加膨体数但无异位NMJ；慢性阻断诱发放电（TeTxLC）导致原支配NMJ显著扩张但无异位分支；Kir2.1慢性超极化引起轻度异位出芽，可能与细胞应激有关。因此，只有物理缺失或功能严重受损才触发强异突触出芽。

4. **异位MN1出芽恢复肌肉激活并部分挽救爬行行为**：钙成像显示，在MN1单独存活的消融组中，所有四个背侧肌肉均出现钙瞬变和收缩，而急性沉默MN1后这些活动消失。行为学分析表明，MN1出芽组蠕动效率显著高于完全消融组，且沉默MN1后效率降低，证实出芽具有适应性功能。

5. **MN1出芽在幼虫早期启动并随发育渐进扩展**：纵向活体成像显示，L1期消融组MN1一阶分支已显著多于对照组，L3期差异进一步增大。LME分析表明一阶分支的发育增长依赖于消融。仅幼虫期消融（胚胎期未消融）也能诱导出芽，但总NMJ面积扩张较弱，而膨体数增加显著，表明胚胎期消融实现完全扩张。

**讨论与结论**
讨论部分指出，该研究证明神经元亚型特异性异突触出芽需要完全丢失突触前伙伴。完整的MN1出芽能力只有在去神经肌肉场完全空出时才显现。出芽模式受肌肉空间可及性、邻近神经元完整性及MN内在特性影响。紧张性MN1具有更大的生长潜力，而相位性MN-Is优化于快速传递，限制其结构扩展。发育阶段也影响出芽幅度，幼虫期MNs仍保留较高生长能力。研究结论翻译如下：这些发现定义了一个完整运动回路中神经元亚型特异性的、损伤依赖性的重连规则，即完全肌肉去神经支配触发旁观者紧张性运动神经元的代偿性出芽，形成功能性异位NMJs，部分恢复肌肉活动和运动行为。