科学家们已经绘制了神经元之间的连接，以更好地理解大脑如何与脊髓通信以管理运动功能。
大脑向运动神经元发送使肌肉运动的信号，但这些信息通常会在到达最终目标之前经过脊髓中间神经元。大脑与这些多样的“调度员”细胞之间的联系尚不清楚。为此，圣犹达儿童研究医院的研究人员开发了一种全面的大脑地图，展示了与必需用于运动的V1中间神经元直接通信的大脑区域。最终形成的地图和一个互动的3D网站为更深入理解神经系统的解剖结构及大脑与脊髓之间的通信奠定了基础。这些发现今天发表在《神经元》期刊上。
“多年来，我们认识到运动系统作为一个分布式网络运作，脊髓作为最终输出点，”圣犹达发展神经生物学系的Jay Bikoff博士解释道。“在脊髓中，运动神经元触发肌肉收缩，但这些神经元并不是孤立工作的。它们的动作受到各种中间神经元的复杂网络的影响，包括分子和功能层面。”
破译连接大脑活动与运动输出的网络
尽管在将各种大脑区域与运动控制的不同方面联系起来方面取得了重大进展，但连接这些区域与特定脊髓神经元的具体路径仍不清楚。中间神经元因其种类繁多且各具特色而难以检查。
“就像试图解开一堆圣诞灯的绳结，甚至更复杂，因为这个网络在超过30亿年的进化中发展起来，”共同第一作者Anand Kulkarni博士说道。
最近的进展突出了不同亚类中间神经元的存在，涉及分子和发育方面，但它们在神经信号中的角色仍有许多问题未解。“识别运动系统的细胞靶标对理解神经系统如何控制运动和行为至关重要，”Bikoff表示。“我们需要澄清信号是如何从大脑发送的。”
为了研究连接大脑和脊髓的电路，研究人员利用了一种基因修饰的狂犬病毒，该病毒缺少一种关键的表面蛋白，称为糖蛋白。这一修改阻止了病毒在神经元之间传播。
这意味着病毒在其进入点被有效地限制住。通过将这种糖蛋白重新引入特定的中间神经元群体，病毒可以在突触间跳跃一次，然后再次被卡住。研究人员使用荧光标记来追踪病毒的路径。通过跟踪病毒的最终去向，他们可以确定与这些中间神经元相连的大脑区域。
3D映射使连接的可视化成为可能
团队将这种方法集中在一种被称为V1中间神经元的中间神经元类型上，已被公认为在调节运动输出中至关重要。这项研究使他们能够准确追溯这些中间神经元接收到的多个信号在大脑中的来源。
“尽管我们集中于V1中间神经元，但这一组包含各种神经元，因此我们旨在尽可能多地靶向V1，以发现谁在向它们投射，”Bikoff指出。
研究人员应用了串联双光子断层扫描技术，来可视化这些神经元并创建一个三维参考地图。这种方法将大脑处理成数百个薄切片，揭示被荧光标记的神经元。该地图使关于连接不同大脑结构与脊髓及涉及的中间神经元的网络的准确预测成为可能。
了解这些结构如何连接到脊髓为进一步研究负责运动的神经电路铺平了道路，而该网络地图将使这些数据对研究人员易于获得。“我们对某些已识别的大脑区域的行为角色有了见解，”Bikoff解释说，“但现在我们可以假设这些效果是如何促进的，以及V1中间神经元可能发挥什么作用。这对于推进该领域的研究将是极其宝贵的。”
