《PLOS Computational Biology》：Synchronization properties in C. elegans: Relating behavioral circuits to structural and functional neuronal connectivity
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摘要：神经科学的一个核心问题是神经处理如何产生或编码行为。秀丽隐杆线虫（Caenorhabditis elegans）因其神经系统紧凑且具有近乎完整的结构连接组（structural connectome），非常适合研究这一问题。尽管如此，以往研究的结果仍无定
摘要：神经科学的一个核心问题是神经处理如何产生或编码行为。秀丽隐杆线虫（Caenorhabditis elegans）因其神经系统紧凑且具有近乎完整的结构连接组（structural connectome），非常适合研究这一问题。尽管如此，以往研究的结果仍无定论：一些研究表明连接组能够稳健地编码如运动等特定行为，另一些研究则报告功能连接（functional connectivity）可随行为而重构。研究人员旨在利用以实验为动机、依托结构连接组的计算模型，在计算机模拟（in silico）中理解结构连接、功能连接与生物学行为之间的关系。模型中特定神经元的刺激会诱发振荡性神经反应，从而使研究人员能够推断神经元功能连接。研究发现某些神经元之间的功能连接更强，据此可识别功能群落（functional communities, FCs）。研究还发现电突触（electrical synapse，即间隙连接）在决定功能群落方面起关键作用，所产生的介观尺度功能架构主要表现为间隙连接同配性（gap junctionally assortative）。此外，与行为回路（behavioral circuits）的比较显示，运动回路大体上被分隔到不同的功能群落中，而其他回路则更广泛地分布在多个功能群落之间。研究人员还观察到，刺激这些分布型回路中的神经元所引发的神经元反应，比刺激那些更分隔回路中的神经元更为同步。这与一类行为模式（如化学感受导致运动）在其中一种回路起始、在另一种回路终止的现象一致，因此刺激一种回路可激活另一种回路并最终产生同步反应。研究人员还在刺激某些感觉回路（化学感受、机械感受）时发现了大量类嵌合体同步模式（chimera-like synchronization patterns），表明其具有较高的动态灵活性。总体而言，研究结果表明，某些行为由功能分隔的回路控制，而另一些行为则源于多个功能群落的同步化，这些功能群落本身又受到潜在结构连接的影响。
作者总结：动物不断将感觉输入转化为行为，但这一从神经活动到行为的映射如何在真实神经系统中实现仍不清楚。秀丽隐杆线虫为这一问题提供了独特的试验平台，因为其整个接线图几乎已完全绘制。然而，此前研究关于这一解剖回路图能在多大程度上预测实际活动与行为模式得出了混合的结论。在本研究中，研究人员使用一个生物启发的秀丽隐杆线虫神经系统计算模型来弥合结构、功能和行为之间的差距。通过虚拟刺激单个神经元并观察由此产生的全网振荡，研究人员推断不同神经元对和神经元群在功能上的相互作用强度。随后使用网络分析工具识别倾向于共同激活的神经元群，并将这些功能群落与已知的运动和感觉处理行为回路联系起来。研究发现间隙连接在塑造功能群落方面发挥关键作用，并且与运动相关的神经元比其他行为回路中的神经元在功能上更为分隔，后者在功能上更加分散。研究结果表明，有些行为依赖于特化的、功能孤立的回路，而另一些行为则源于多个功能群落的协调活动。
论文解读：秀丽隐杆线虫结构与功能连接的同步化特性及其与行为回路的关系
神经科学的一个核心问题在于理解神经活动如何产生行为。秀丽隐杆线虫（Caenorhabditis elegans）含有302个神经元，且其结构连接组（structural connectome）几乎完全已知，为这一问题提供了独特的研究对象。然而，已有研究结果并不一致：部分工作显示结构连接组能可靠地编码运动等行为，另有工作发现功能连接（functional connectivity）会随行为情境重构。因此，需要在同一个计算框架中把解剖接线、神经元动态与行为输出联系起来。研究人员利用实验启发的计算模型，以结构连接组为基底，研究结构连接如何塑造功能组织，以及功能群落如何对应已充分表征的行为回路。
研究人员使用Varshney等人重建的成年雌雄同体C. elegans连接组数据集，构建了包含化学突触（chemical synapses）和间隙连接（gap junctions）的单房室膜模型。通过系统地刺激单个神经元，诱发全网振荡，根据膜电位响应之间的Pearson相关推断功能连接；随后使用加权随机块模型（weighted stochastic block model, WSBM）识别功能群落（functional communities, FCs），并与前行/后行运动、化学感受、机械感受和klinotaxis（趋线运动）五个行为回路进行比较。该研究的重要性在于提供了一个从结构、功能到行为的统一图像，并强调了电突触在组织功能脑架构中的核心作用。
主要技术方法包括：基于Varshney等连接组数据的单房室膜模型（single-compartment membrane model）模拟等级电位动态；对每个易感神经元施加五种幅度的外部电流刺激，收集振荡响应并计算Pearson相关矩阵；采用加权随机块模型（WSBM）对163个振荡响应实例进行功能群落检测，再用共现矩阵经WSBM获得稳健的六个功能群落；使用Kuramoto序参量（Z和R）量化全局及群落间相位同步；对序参量矩阵阈值化后应用广义Louvain算法划分同步/异步/嵌合体模式；并通过三种随机化间隙连接网络进行零模型比较。
研究结果
1. 结构连接对同步化的影响
通过比较原始网络与三种随机化间隙连接网络，研究人员发现刺激神经元的间隙连接度（gap junction degree）越低，全局Kuramoto序参量Z越高；间隙连接度为零时同步最强。随机化连接组会使易感神经元数量增加，但整体同步性降低。这表明天然间隙连接架构约束了高连接度神经元对外部刺激的易感性，有助于网络动态的稳定控制。
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