研究确定脊髓神经元控制技能的肢体运动
研究人员发现两种类型的神经元,使脊髓控制技能的前肢运动。首先是一群兴奋的中间神经元所需要作出准确和精确的运动;第二个是一群抑制性中间神经元实现平稳运动的肢体所必需的。发现是重要的一步了解正常人体运动机能和潜在的治疗带来伤害或疾病的运动障碍。
“我们认为理所当然的许多运动行为,如捕捉一个球或抛一枚硬币,事实上需要相当大的规划和精确,”说,哥伦比亚大学医学中心(CUMC)托马斯·m·Jessell博士,这两项研究的资深作者,分别发表在近期的问题自然。”,而这样的行为动作看似不费吹灰之力,但是他们依靠复杂的精心策划好的神经网络之间的通信连接大脑脊髓和肌肉。”
某人的手移动到所需的目标,大脑发送脊髓信号,激活控制肢体肌肉的运动神经元。在随后的动作,从肢体信息转达了大脑和脊髓,提供一个反馈系统能够支持的控制和调整电机输出。
“但肌肉不够快速的反馈,允许最快速精细运动控制的实时调整,“Jessell博士说,“建议可能还有其他,更快,系统在起作用。”Jessell博士是运动神经元疾病的克莱尔拖教授在《神经科学部门和生物化学和分子生物物理学,莫蒂默b联合Zuckerman心理大脑行为研究所的副主任Kavli大脑科学研究所和霍华德·休斯医学研究所研究员,在哥伦比亚大学所有。
研究人员怀疑,一个快速的反馈形式可能来自一群在颈脊髓中间神经元称为propriospinal神经元(pn)。就像许多其他神经元,pn发送信号到运动神经元分布得手臂肌肉和触发动作。但这个子集的神经元也有不同的输出分支项目远离对小脑运动神经元。通过这个dual-branched解剖学,这些神经元可能携带内部份电动机输出信号到大脑。
然而,这种内部反馈通路的性质和是否有对运动的影响尚未明确。“如果pn确实是外向运动大脑命令的发送副本,他们可以提供一个方便快速的调整正在进行的动作当事情出错时,“说Eiman Azim,博士,博士后Jessell博士的实验室里,第一篇论文的第一作者。“但是没有办法有选择性地针对pn的复制功能,没有办法测试这个理论”。
CUMC团队合作Bror Alstermark,博士,在综合医学生物学教授在瑞典于默奥大学,克服这个技术障碍,开发一个遗传方法用于访问和消除老鼠pn,废除motor-directed和复制信号发送的神经元。当研究人员量化PN-deprived老鼠的肢体运动在三维空间中达到食物颗粒,他们发现老鼠的能力达到目标准确的严重损害。“基本上,他们的动作不协调,”Azim博士说。“一贯高估或under-reached PN-deprived老鼠。”
但与PN输出信号消失,PN复制信号的精确作用仍不清楚。然后研究人员转向optogenetics-the使用光来控制神经活动。他们选择性地激活复制轴突分支,decalibrating这个信号从发送的版本复制到运动神经元。复制信号改变,动物的能力严重受损,表明PN复制路径能够影响达到运动目标导向的结果。
PN复制信号还快得多。只需4 - 5毫秒后被改变为运动神经元活动的传播信号PN副本。“这些达到运动通常需要200到300毫秒,所以PN复制信号通路出现具备正确的手臂动作,”Azim博士说。研究人员认为这仅仅复制信号代表一个许多类似的内部反馈通路,脊髓和大脑使用正确验证和全身运动。
正常小鼠移动四肢顺利当达到食物颗粒。老鼠的四肢没有gaba ergic中间神经元(红线)显示严重的震动。托马斯•m . Jessell信贷:自然和实验室的博士学位
这些发现与人类电动机性能?许多通路和电路影响达到和把握在老鼠的猴子和人类是守恒的。“我们需要更多的了解这些途径才能评估功能障碍导致赤字后脊髓损伤和神经退行性疾病,”Azim博士说。
在第二个自然研究中,CUMC人员检查如何脊髓回路调节感官反馈控制运动的肌肉。这个反馈系统的最简单的形式包括反射途径(如膝跳反射),感觉末梢的肌肉运动系统传达信号与运动神经元通过直接单突触的连接。反过来,运动神经元的信号引起肌肉收缩,完成反应周期。
研究者一直想知道这个感觉信号的强度可能监管。研究表明,脊髓interneurons-in尤其是释放神经递质的GABA,抑制神经元activity-play在这个过程中一个关键的角色。但大多数GABA-releasing postsynaptically中间神经元发挥他们的影响,在接收端通过阻断神经元的兴奋的突触(在两个神经元沟通)的差距。
“我们知道这些神经元可能负责微调感官信号,”作者安德鲁·j·p·芬克说,他是前研究生博士Jessell博士的实验室。”整个神经元突触后抑制的影响,和运动神经元接受许多不同的输入。这样一种机制,关闭运动神经元的输入将缺乏细化。”
研究人员早就猜测gaba ergic中间神经元的一个子集可能调节运动通过控制感官反馈信号从肌肉的力量。“众所周知,这些特定的神经元presynaptically工作,通过形成直接连接的终端感觉神经元和抑制感觉神经传递素的释放,”芬克博士说。因为技术原因,这些中间神经元的功能,如果有的话,在运动行为仍然难以捉摸。
芬克博士和他的同事们发现了一个方法来访问这个子集的中间神经元基因的小鼠,然后设计了选择性的方式方法来操纵它们的功能。在一个实验中,他们激活突触前抑制中间神经元optogenetically,降低感觉的力量传播。他们也切除这些中间神经元,使其有选择性地敏感的致命的毒素,废除他们的感官反馈控制的力量。没有感觉反馈调节,前肢运动是由严重的振荡震动,大大减少电动机的准确性。
这一发现,随着并行建模研究,表明突触前抑制神经元通常调整感觉反馈的“增益”与运动神经元突触,因此运动的顺利执行的关键。了解这些基本微电路调节感觉输入和运动输出,从长远来看,提供洞察的方式对抗运动不稳定和地震在许多神经系统疾病。
”这两个研究都揭示了离散类脊髓中间神经元使神经系统直接运动行为的方式与特定的任务,“Jessell博士说。
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出版物
胡安江,Eiman Azim Bror Alstermark &托马斯·m·Jessell。熟练的实现依赖于V2a propriospinal内部复制电路。自然,2014年2月2日在线出版。doi: 10.1038 / nature13021
安德鲁·j·p·芬克凯瑟琳·r·Croce z Josh黄,l·f·艾伯特,托马斯·m·Jessell & Eiman Azim。突触前抑制脊髓感觉反馈确保平稳运动。自然,2014年4月30日在线出版。doi: 10.1038 / nature13276
