日本成功绘制出人控制精细动作的“神经地图”

生命科学 2018年05月22日

新泻大学和科学技术振兴机构(JST)2018年5月2日联合发布,新泻大学脑研究所系统脑病态学领域的上野将纪特聘教授和辛辛那提儿科医院的吉田富副教授等所带领的研究团队,成功在哺乳动物皮质脊髓束中发现了多种神经回路,并绘制出控制精细动作的“神经地图”。相关研究成果已经在线发表于2018年5月2日的《Cell Reports》上。

皮质脊髓束(Corticospinal tract)是哺乳类动物特有的大脑皮质控制躯体运动的调节系统,又称皮质脊髓路径、皮层脊髓束、皮质脊髓径。其神经纤维主要起源于大脑皮质的锥体细胞,离开大脑皮质后经内囊和大脑脚至延髓下行到脊髓,直接或经中继后间接止于脊髓前角运动细胞(图1)。在锥体下端,约70%~90%纤维左右相互交叉至对侧脊髓外侧索的后外侧部下行,形成皮质脊髓侧束,发出纤维经脊神经根至脊神经,支配四肢带肌和四肢肌。在延髓内没有交叉的纤维则在同侧脊髓前索内下行,于脊髓前正中裂的两侧形成皮质脊髓前束,主要支配躯干肌。所以,躯干肌是受两侧大脑皮质支配,而上下肢肌的运动则是由对侧大脑皮质控制的。

人体皮质脊髓束示意图

图1 人体皮质脊髓束示意图

皮质脊髓束主要负责管理管理头面部和躯干、四肢的各种自发的随意运动,特别是四肢远端肌的精细运动。日常生活中拿杯子、投篮球、弹钢琴等动作,以及对杯子温度、琴键软硬等周围坏境的微细感知,都是受到皮质脊髓束内神经回路的统合协调控制。一旦其出现病损,则会引起痉挛性瘫痪、弛缓性瘫痪、中枢性麻痹或强直性麻痹、中风等。一侧皮质脊髓束在锥体交叉前受损,主要引起对侧肢体瘫痪,躯干肌不受明显影响;在锥体交叉后受损,主要引起同侧肢体瘫痪。

对于中风和瘫痪等病人,要想恢复运动机能,首先需要弄明白负责相关机能的神经回路的动作控制原理,弄清楚是哪条神经回路需要修复或重建。虽然皮质脊髓束对自发精细运动的控制早在19世纪后半叶就广被人知,尽管经过了100多年的研究与探索,但其神经回路内神经细胞的接续方式和精细动作控制等的机理,至今依然是个谜。

上野教授等研究团队以啮齿类动物小鼠的皮质脊髓束为研究模型,采用基因工程改造、神经示踪剂*、电生理学解析、神经活动控制、动作三维建模等最新技术,对皮质脊髓束的详细构成(“神经地图”)以及其动作控制机理等进行了彻底详尽地探索。由此发现了皮质脊髓束中多种运动机能对应的内在神经回路(图2)。

小鼠皮质脊髓束内多种神经回路示意图

图2 小鼠皮质脊髓束内多种神经回路示意图

同时,不同神经回路中关联神经细胞也呈现多样性:a.鉴定出特异性基因;b.揭示了运动与感觉回路接续方式的不同;c.发现了不同种类的兴奋和抑制性神经递质(图3)。

皮质脊髓束中的不同神经回路

图3 皮质脊髓束中的不同神经回路
(红色显示的不同轴突与绿色显示的脊髓神经细胞接续形成的特异神经回路)

另外,当阻断不同的神经回路时,显示出特异性的小鼠行动障碍,比如在伸爪取食的过程中要么伸爪出现异常,要么抓到食物后放下出现异常(图4)。揭示了在皮质脊髓束中存在的不同神经回路,分别对应负责复杂精细运动中相对独立的一个部分,或是信息感知,或是运动速度等。

阻断不同神经回路导致各异的运动障碍

图4 阻断不同神经回路导致各异的运动障碍

该研究结果表明,皮质脊髓束并非是简单地链接大脑皮质与脊髓地单一通路,而是拥有多种神经回路地集合体;并揭示了复杂精巧动作的控制机理。由此推测,神经回路的多样性在包括人类在内的灵长类中也适用,是我们日常复杂动作的基础存在。今后,在中风、脑脊髓损伤中神经回路再生和康复等领域,如何应用该成果去重建特异性神经回路,值得期待。

*神经示踪剂(tracer),是20世纪60年代新发展起来的观察神经细胞形态的方法。标记和成像观察技术是神经解剖学的根本,是整个神经科学的基础。注入在神经细胞附近的示踪剂会被神经元特异性吸收,示踪剂在神经元内依靠细胞内的转运功能扩散到神经元的各个角落,以此达到示踪的目的。顺行示踪剂(anterograde tracer)在细胞内顺着信息流的方向扩散,也就是在胞体部位注射示踪剂,示踪剂向神经末梢传递;逆行示踪剂(retrograde tracer)在神经末梢部位注射,示踪剂逆信息流方向传递。神经示踪剂常用于阐明神经系统的解剖联系。在这些示踪剂的帮助下,可以确认轴突的起源细胞,也可以鉴别从某一特定的神经元出来的轴突投射的目标位置。

文 客观日本编辑部

参考文献:
1.Masaki Ueno, Yuka Nakamura, Jie Li, Zirong Gu, Jesse Niehaus, Mari Maezawa, Steven A Crone, Martyn Goulding, Mark L Baccei, Yutaka Yoshida. (2018). Corticospinal circuits from the sensory and motor cortex differentially regulate skilled movements through distinct spinal interneurons.. doi: 10.1016/j.celrep.2018.03.137

相关链接:
链接脑与脊髓的运动“神经地图”(日文)[网址]

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