单个神经元的并行输出如何协调行为的许多方面

麻省理工学院的一项新研究专注于自然界最简单的神经系统之一中的单个细胞，深入说明了单个神经元如何使用多种手段来驱动复杂的行为。

在只有302个神经细胞的秀丽隐杆线虫中，神经元HSN释放几种化学物质并沿着其长度建立多个连接，不仅控制动物的瞬间产卵和运动，而且在产卵后减慢蠕虫的速度几分钟。为了控制行为的后期阶段，HSN将神经递质血清素转移到另一个神经元上，神经元在几分钟后重新释放它以影响行为。

“我们的研究结果揭示了单个神经元如何在多个时间尺度上影响广泛的行为，并表明神经元可以相互’借用’血清素来控制行为，”研究人员在 Current Biology上报道。

该研究的资深作者是皮考尔学习与记忆研究所和大脑与认知科学系副教授Steven Flavell。博士后Yung-Chi Huang是该研究的第一作者。

忙碌的神经元

进入研究阶段，HSN与其他神经元的连接已经被绘制出来（秀丽隐杆线虫是唯一一种已知神经元之间完整连接组的动物），它也与产卵有关。与此同时，Flavell的实验室观察到，当蠕虫产卵时，它们会在食物块上加速，有点像农民驾驶拖拉机将种子散布在肥沃的土壤中。此外，科学家们观察到，当HSN被消融时，蠕虫不会从事一种特有的进食行为，即放慢速度在食物上进食。

但是，这个单一的神经元如何对行为产生这些看似矛盾的影响（产卵，加速这样做，之后减速）仍然是一个谜。Flavell和Huang的团队采用了各种各样的技术和实验来发现HSN如何完成其许多工作。

为了确定HSN确实在控制这些行为方面具有因果作用，他们使用光遗传学操纵神经元的活动，光遗传学是一种通过基因工程改造细胞由闪光控制的技术。除了确认HSN在产卵中的关键作用外，这些和其他基因操作实验还证实HSN使蠕虫加速，然后在一阵漫游和产卵后减速几分钟。该实验室还跟踪了HSN在这些行为期间的电活动（通过跟踪动物自由移动时细胞内钙离子的流动），并发现细胞活动的特定模式与产卵和运动有关。

多种分子手段

在确定HSN导致三种相关行为后，实验室随后将注意力集中在它是如何做到的。

已知 HSN 会释放多种神经递质化学物质，包括血清素、乙酰胆碱和多种肽。已知它释放的血清素和一种叫做NLP-3的神经肽可以驱动产卵。为了确定神经元如何驱动快速运动，研究小组系统地敲除每个HSN神经递质，然后刺激HSN，看看当HSN不能产生一种化学物质或另一种化学物质时，蠕虫是否仍然可以加速。实验表明，HSN通过释放两种神经肽（称为FLP-2和FLP-28）来驱动运动增加。

与此同时，在HSN中敲除血清素，使蠕虫的减速行为失效。进一步的实验表明如何。Flavell的团队之前曾研究过神经元NSM，表明它在蠕虫进食时使用血清素来抑制运动回路并减慢蠕虫进食的速度。在这项研究中，研究小组表明，NSM的作用取决于来自HSN的血清素供应。例如，当HSN不能产生血清素时，NSM也不能减慢蠕虫的速度。研究小组进一步表明，NSM使用血清素转运蛋白SERT（在秀丽隐杆线虫中称为MOD-5）来吸收HSN的血清素并重新释放它。这表明血清素能神经元可以相互汇集和共享血清素，直接影响动物的行为，Flavell说。

转向HSN的解剖结构，研究小组发现运动控制和产卵控制发生在HSN轴突的不同点。HSN的细胞体位于动物的中间。它与中体的产卵回路形成突触，然后它的轴突投射到头部，与其他神经元形成突触。在中体和头部之间切割HSN的轴突并没有破坏动物的产卵，但确实阻止了产卵和运动的协调，这表明HSN对头部的投影协调了HSN在产卵回路上的动作及其在运动回路上的动作。

总之，该研究显示了HSN如何以不同的方式使用许多平行的神经递质输出来控制动物的行为。

“我们的研究结果说明了细胞形态，多种递质系统以及神经递质”借用“等非规范传递模式如何赋予单个神经元协调行为程序的多种特征的能力，”作者写道。

与此同时，神经元可以吸收和重新释放其他神经元产生的血清素来控制行为的发现揭示了血清素信号传导的新特征，这可能具有重要的医学意义，Flavell说。吸收血清素的分子SERT / MOD-5是百忧解等血清素特异性再摄取抑制剂（SSRIs）的靶标。这项研究提出了SSRIs可能影响神经元如何相互共享血清素的可能性，这可能与它们治疗各种精神疾病的作用方式有关。

除了Huang和Flavell之外，该论文的其他作者还有Jinyue Luo，Wenjia Huang，Casey Baker，Matthew Gomes，Bohan Meng和Alexandra Byrne。

美国国立卫生研究院，国家科学基金会，麦克奈特基金会，阿尔弗雷德·P·斯隆基金会，皮考尔研究所和JPB基金会为这项研究提供了资金。