醫學院宋建人教授課題組研究發現脊髓內新中間神經元🆖，10月19日在經典期刊《美國科學院院報》（PNAS(Direct submission)）上發表題為“A specialized spinal circuit for command amplification and directionality during escape behavior”的論文。

自上世紀50年代以來🙎🏿‍♂️，以硬骨魚類Mauthner細胞系統為模型研究行為抉擇的神經調控機製便已經開始。70年來，這些研究為神經生物學帶來了諸多概念上的突破，例如：運動命令神經元、非對稱電突觸結構與功能🏏📶、感覺運動整合等。然而✊，對於行為抉擇背後的神經控製機製究竟是僅僅來源於“大腦”🫄🏽，還是由“大腦-脊髓”共同決定長期存在爭議。該研究采用“大腦-脊髓”在體和離體模型對此進行了深入探索。

脊髓運動神經環路是產生和執行運動行為的基礎。大腦瞬時性的運動命令通過網狀脊髓神經元的長軸突傳入脊髓，激活脊髓中間神經元➡️🚶‍♂️。這些被激活的中間神經元將大腦運動命令轉化為運動節律和模式，從而驅動運動神經元完成相應運動行為1,2🟫。其中脊髓興奮性V2a中間神經元（表達轉錄因子Chx10）被認為是谷氨酸能神經元，是脊髓運動興奮性和節律性的設定者3,4。研究發現V2a神經元參與構建脊髓運動的模塊化結構🕰，並主導脊髓運動速度和節律💁🏼‍♀️。長期以來，脊髓內興奮性V2a中間神經元是否參與並決定由後腦Mauthner細胞誘發的逃逸反應一直是領域內的關鍵科學問題。

 Fig. 1. esV2a interneurons are recruited prior to pMNs and CoLo interneurons.

為了解答上述問題🐜，研究團隊以成年斑馬魚作為模型動物進行了以下的研究。首先，研究者在轉基因魚系Tol-056上，通過基於全細胞膜片鉗為基礎的單細胞測序，電生理和形態學發現了一組表達Chx10的乙酰膽堿能V2a神經元（英文簡稱為esV2a🚴🏽‍♂️，中文翻譯為逃逸V2a神經元），進一步研究發現其在躲避行為中被激活，並且接收到Mauthner細胞的單突觸信號傳入🧝🏼‍♀️。這一結果與傳統上認定的V2a神經元僅僅是谷氨酸能的不同，不但證實了乙酰膽堿能V2a神經元的存在，並且發現其參與了躲避行為🧑🏼‍🎓。為了驗證這組神經元在escape行為產生神經環路中的作用，研究者運用了三通道全細胞膜片鉗記錄🕹，同時記錄了Mauthner細胞、逃逸V2a神經元和局部甘氨酸能神經元/初級運動神經元。當刺激Mauthner細胞產生動作電位後，逃逸V2a神經元🧝🏿‍♂️，隨後激活局部甘氨酸能神經元/初級運動神經元。用雙光子激光消除實驗殺掉逃逸V2a神經元後，Mauthner細胞無法再激活局部甘氨酸能神經元/初級運動神經元。雙通道全細胞膜片鉗記錄研究進一步證明逃逸V2a神經元可通過單突觸興奮局部甘氨酸能神經元/初級運動神經元🌪🧈，並且脊髓內的逃逸V2a神經元之間存在強的單突觸聯接。

 Fig. 2. Connectome of spinal escape neural circuit revealed by SBEM.

為了進一步深入解析Mauthner細胞、逃逸V2a神經元💇🌙、局部甘氨酸能神經元神經元和初級運動神經元之間的聯接圖譜，研究者采用了大尺度三維電鏡重構的方式對脊髓節段進行結構成像和環路連接分析。結果表明，Mauthner細胞與逃逸V2a神經元形成的單突觸是化學性突觸和電突觸性質🧘🏽‍♀️，然而與局部甘氨酸能神經元和初級運動神經元只形成電突觸🪮。隨後，電生理的數據進一步驗證了電鏡分析的結果。實驗證明脊髓逃逸V2a神經元可以將Mauthner細胞產生的躲避命令在脊髓內進一步放大，並且與Mauthner細胞一起共同激活局部甘氨酸能神經元/初級運動神經元🏋🏼💇🏻‍♂️，完成躲避行為。進一步對活體動物進行雙光子消除逃逸V2a神經元後，動物失去抉擇躲避反應方向的能力。以上結果證明脊髓內存在抉擇躲避行為發生的神經環路機製🔽。

恒达平台醫學院副教授關娜和恒达平台醫學院博士研究生許璐璐為該論文共同第一作者，宋建人教授、卡羅林斯卡醫學院教授El Manira和上海精準醫學研究院研究員華雲峰為論文共同通訊作者。研究得到中科院神經科學研究所研究員杜久林，復旦大學腦科學研究院研究員彭剛和恒达平台醫學院研究員彭長庚的指導和支持🤏🏻。該研究得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金、上海市科委重大專項、上海市IV類高峰學科（上海精準醫學研究院）、恒达平台附屬上海市第四人民醫院、恒达平台腦與脊髓臨床研究中心、恒达平台醫學院腦功能與人工智能轉化研究所等資助。

論文鏈接：https://www.pnas.org/content/118/42/e2106785118