2023年7月27日，Nature Communications雜志在線發(fā)表了華中科技大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院病理生理學(xué)系劉平研究員團(tuán)隊(duì)“運(yùn)動(dòng)通過(guò)本體感覺(jué)調(diào)控線蟲(chóng)嗅覺(jué)學(xué)習(xí)”（Locomotion modulates olfactory learningthrough proprioception inC. elegans）的最新研究成果。

運(yùn)動(dòng)對(duì)大腦功能具有顯著影響，包括學(xué)習(xí)與記憶能力。在人類中，運(yùn)動(dòng)與兒童的學(xué)習(xí)能力正相關(guān)，短期劇烈運(yùn)動(dòng)能即時(shí)提高人的學(xué)習(xí)能力。在小鼠中，運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)大腦皮層、海馬和小腦的神經(jīng)元活性，還能以速度依賴的方式促進(jìn)聯(lián)想學(xué)習(xí)。另外，運(yùn)動(dòng)還可以減少老年人發(fā)生神經(jīng)退行性疾病的風(fēng)險(xiǎn)，甚至逆轉(zhuǎn)神經(jīng)退行性疾病病人和動(dòng)物模型的認(rèn)知功能衰退。這些研究都表明運(yùn)動(dòng)對(duì)學(xué)習(xí)具有保守的促進(jìn)作用，但連接運(yùn)動(dòng)與學(xué)習(xí)的神經(jīng)機(jī)制目前還不清楚。

目前主要發(fā)現(xiàn)神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子和肌細(xì)胞因子參與介導(dǎo)了運(yùn)動(dòng)對(duì)大腦功能的慢性改善作用，但運(yùn)動(dòng)發(fā)揮急性作用的神經(jīng)機(jī)制仍一無(wú)所知。本體感覺(jué)是優(yōu)秀的候選者，因?yàn)樗梢愿杏X(jué)運(yùn)動(dòng)速度和肌肉伸縮，并將這些信息即時(shí)傳入中樞神經(jīng)系統(tǒng)。比如在哺乳動(dòng)物中，本體感覺(jué)信號(hào)可以通過(guò)脊髓小腦束和背索-內(nèi)側(cè)丘系通路分別到達(dá)小腦和大腦；在昆蟲(chóng)中，本體感覺(jué)軸突可投射進(jìn)入中樞神經(jīng)系統(tǒng)傳遞本體感覺(jué)信號(hào)。

學(xué)習(xí)是動(dòng)物神經(jīng)系統(tǒng)的普遍功能，具有簡(jiǎn)單神經(jīng)系統(tǒng)的模式動(dòng)物，如秀麗隱桿線蟲(chóng)等，是研究其神經(jīng)環(huán)路和突觸機(jī)制的常用模型。線蟲(chóng)僅有302個(gè)神經(jīng)元，但表現(xiàn)多種學(xué)習(xí)行為。例如，線蟲(chóng)以細(xì)菌為食物，成年線蟲(chóng)天生喜歡致病性銅綠假單胞菌PA14的氣味，但在攝食PA14數(shù)小時(shí)后就能學(xué)會(huì)躲避這種致病菌的氣味。PA14嗅覺(jué)學(xué)習(xí)所依賴的主要神經(jīng)元已經(jīng)研究的比較清楚。不過(guò)，與哺乳動(dòng)物通過(guò)肌梭和高爾基肌腱器感覺(jué)肌肉伸縮而產(chǎn)生本體感覺(jué)不同，線蟲(chóng)運(yùn)動(dòng)神經(jīng)環(huán)路中缺少專門(mén)的本體感覺(jué)神經(jīng)元。

在本課題中，我們以線蟲(chóng)簡(jiǎn)單嗅覺(jué)學(xué)習(xí)為模型，通過(guò)定量分析運(yùn)動(dòng)速度與嗅覺(jué)學(xué)習(xí)的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)以速度依賴的方式增強(qiáng)嗅覺(jué)學(xué)習(xí)。進(jìn)一步利用研究清晰的線蟲(chóng)感覺(jué)運(yùn)動(dòng)神經(jīng)環(huán)路，通過(guò)電生理、鈣成像、分子遺傳、光遺傳、化學(xué)遺傳和線蟲(chóng)行為分析等技術(shù)，發(fā)現(xiàn)線蟲(chóng)運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元表達(dá)機(jī)械力敏感通道，具有本體感受器的功能。因此，運(yùn)動(dòng)可以激活這些神經(jīng)元，并將由此產(chǎn)生的本體感覺(jué)信息傳入上游負(fù)責(zé)加工處理嗅覺(jué)感覺(jué)信息的中間神經(jīng)元，調(diào)控其經(jīng)驗(yàn)依賴性神經(jīng)元活性和功能性耦合，從而產(chǎn)生對(duì)嗅覺(jué)學(xué)習(xí)的調(diào)控作用。本研究從分子、細(xì)胞、環(huán)路和動(dòng)物行為水平，以單細(xì)胞分辨率揭示了本體感覺(jué)具有調(diào)控動(dòng)物學(xué)習(xí)的功能及其精細(xì)作用機(jī)制。

華中科技大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院病理生理學(xué)系劉平研究員和美國(guó)康州大學(xué)醫(yī)學(xué)院神經(jīng)科學(xué)系Zhao-Wen Wang教授為該論文的通訊作者，病理生理學(xué)系博士研究生展旭和協(xié)和醫(yī)院骨科陳超為該論文的共同第一作者。該研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目和華中科技大學(xué)自主創(chuàng)新基金的支持。