原創 陳麗麗 高尚邦 細胞世界 收錄於合集 #神經細胞生物學 44個

慫，不丟人！為了生存，碳基生命在38億年的漫長進化歷程中演化出一項聽起來有點慫但其實很彪悍的能力——逃跑。快速、協調、精準的逃避，是我們生物賴以生存的本能行為。

三十六計，跑為上計

逃跑，專業點說，叫本能逃避行為。細心觀察，你會發現同一物種對危險刺激表現出高度一致的逃避行為響應，即穩健的逃避運動序列。可以想象：當一隻寵物貓感覺到背後有隻大黃狗要偷襲，會立即身體拱起，毛髮直立，瞬間跳起，迅速逃跑，這就是一個連續的逃避運動序列。又比如，用木棒刺激幼年斑馬魚（脊椎類模式生物）的尾部，它的身體會迅速彎曲，呈現C型或S型，隨後利用彎曲力加速離開 ［1， 2］。在經典遺傳學中常用的昆蟲模式生物果蠅也是如此，它遇到危險時瞬間就能完成一整套模式化的逃避運動序列：最開始所有足與地面接觸，轉換為移動後足調整起飛方向，翅膀微微抬升，足部蓄力起跳，翅膀展開起飛 ［3］ 【圖1】。

類似的逃避行為存在於幾乎所有已被觀察過的生物中。因此可以推斷，模式化的逃避運動序列高度保守。

圖1 果蠅逃避行為序列示意圖［3］。

秀麗線蟲告訴你，神經系統如何調控逃避運動序列

為了保障逃避運動序列的穩定性和協調性，神經系統要怎樣實施調控？動輒以億計數神經元的高等生物（包括人類），其神經系統非常複雜，這使得我們既無法全面觀察所有神經元的功能，也不好精準操控特異神經元的活性。現階段，依託緊湊的神經系統來解析複雜行為（包括逃避行為）的神經環路與分子機理，是理性且有效的選擇 。

圖2 線蟲穩健有序逃避行為示意圖［4］。 前進中的線蟲頭部受到機械刺激後，會立刻開啟後退，Ω轉向後前進的運動序列。

小小的秀麗隱杆線蟲（簡稱秀麗線蟲或線蟲），能幫上大忙。和其它生物一樣，秀麗線蟲具備高度協調的運動序列［4-7］。當前進中的線蟲頭部接受到傷害性刺激（比如機械壓力等）後，~ 97%的線蟲表現為長時程後退行為，緊接著運動模式轉換為前進， 並伴隨頭部引導、腹部偏置的大角度轉向，使線蟲重新調整行進方向，遠離危險【圖2】。因此，線蟲存在著模式化的穩健的逃避運動序列。

線蟲也是目前唯一的、全腦神經系統被電鏡完整重構並解析的多細胞生物［5-8］。雌雄同體成年線蟲共有300個神經元［7， 8］，按功能分為感覺神經元，中間神經元，運動神經元三類【圖3】。線蟲可以透過功能特化的感覺神經元感知機械、化學、氣味、高滲等傷害性刺激，感覺輸入層（桔紅色）接受外界環境不同形式的刺激，將資訊傳遞到中間神經元（藍色）。中間神經元類似於高等生物的大腦，接收上游感覺訊號，整合後傳遞到下游運動神經元（綠色），最終支配肌肉協調運動發生【圖3】。

圖3 線蟲的三層的神經網路。 感覺、中間和運動神經網路。

逃避運動模組與運動CPG

電鏡精確重構的完整神經連線圖譜［5， 7， 8］，為研究神經功能網路工作原理與分子機制創造了優越條件。透過調控節律運動的神經環路（統稱為central pattern generator或CPG，即中央模式產生器），能夠揭示逃避運動模組的許多秘密。成蟲運動神經環路包括：兩類中間神經元（包括AVB、PVC；AVA、AVD、AVE五對中間神經元）；五類腹側神經索運動神經元（包括21個A神經元、18個B神經元、19個D神經元、6個VC神經元以及11個AS神經元）。AVB、PVC中間神經元透過化學突觸和電突觸與B運動神經元連線，共同調控向前運動；AVA、AVE、AVD中間神經元透過化學突觸和電突觸與A運動神經元連線共同調控向後運動【圖4】。A、B神經元分別透過化學突觸連線肌肉形成神經肌肉接頭調控或響應肌肉收縮，驅動運動產生。D神經元接受A、B神經元的突觸連線，當A或B神經元驅動一側肌肉收縮時，同時啟用D神經元透過釋放GABA抑制對側肌肉收縮從而協調運動。

圖4 線蟲運動神經模組與運動CPG。

我們發現，線蟲負責前進運動的B運動神經元和後退運動的A運動神經元不只是運動的執行者，它們本身還是CPG的組成部分，能產生自振盪訊號，直接驅動運動發生［9-11］。線蟲運動前中間神經元AVA、AVB的下行控制訊號調製了運動神經元的振盪訊號［9， 10］，同時運動神經元的活性還受到本體感受訊號的調節［11］，這些因素相互結合，最終實現線蟲的協調運動【圖4】。

逃得穩和快，還看神經肽

調控逃避行為的神經網路以毫秒級快速傳遞資訊的化學突觸和電突觸連線，以實現逃避的時效性。神經系統中還存在另一類傳遞距離較遠、時程較慢（分鐘到小時）的神經調質（如神經肽）。神經肽在本能逃避行為中的作用知之甚少。在對轉向調控的研究中，我們發現神經肽在快響應的逃避行為穩健性中具有重要作用。野生型線蟲中，超過76%的線蟲以接近180°的頭部重定位使線蟲前進的方向與危險物呈最大夾角，而在nlp-18突變體線蟲中，只有約33%能完成大角度轉向，因此逃避效率下降。透過在特異性神經元上基因回補和神經元特異敲低等實驗，我們還發現味覺感受神經元ASI釋放NLP-18促進穩健逃避轉向【圖5】。

圖5 NLP-18-CKR-1肽能訊號調控線蟲穩健逃避示意圖［4］。

結語

生物逃避運動的穩定性有助於抵抗外界干擾，有序性則能保證能量利用最最佳化。因此可以說，“慫商”堪比智商，逃跑讓生命更美好。不僅如此，研究運動系統的協調性機制對我們理解和預防運動障礙疾病也具有重要意義，有助於進一步破解運動神經系統障礙疾病中的謎題。

作者簡介

陳麗麗 湖北省武漢市華中科技大學生命科學與技術學院，分子生物物理教育部重點實驗室

高尚邦 湖北省武漢市華中科技大學生命科學與技術學院，分子生物物理教育部重點實驗室

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特別鳴謝：

中國細胞生物學學會神經細胞生物學分會進行科普審稿

原標題：《【科學普及】慫：一種穩健的逃避》