研究确定脊髓神经元控制熟练的肢体运动

纽约，纽约2014年4月30日）-Researchers已经确定了两种类型的神经元，使脊髓能够控制熟练的前肢运动。首先是一组兴奋性的型在一起，可以做出准确和精确的运动;第二种是实现肢体平稳运动所必需的一组抑制性核心。该研究结果是了解正常人体运动功能，并且可能治疗来自损伤或疾病的运动障碍。

哥伦比亚大学医学中心(CUMC)的托马斯·m·杰塞尔博士是这两项研究的资深作者，他说:“我们认为许多运动行为都是理所当然的，比如接球或抛硬币，实际上需要相当的计划和精度。”这两项研究分别发表在最近一期的《科学》杂志上自然．“虽然这些运动行为看起来毫不费力，但它们依赖于连接大脑、脊髓和肌肉的神经网络之间复杂而精心安排的通信。”

为了将手移动到想要的目标，大脑会发送脊髓信号，激活控制肢体肌肉的运动神经元。在随后的运动中，来自肢体的信息被传送回大脑和脊髓，提供了一个反馈系统，支持对运动输出的控制和调整。

“但是肌肉的反馈不足以允许最快速的精细电机控制实时调整，”杰西尔博士说，“这表明可能还有其他，更快，系统在播放。”杰西尔博士是神经科学部门和生物化学和分子生物物理学，联合主任的克莱尔武器牵引教授Mortimer B. Zuckerman头脑脑行为学院的联席主任Kavli脑科学研究所他是霍华德·休斯医学研究所(Howard Hughes Medical Institute)的研究员，都在哥伦比亚大学工作。

研究人员曾怀疑，一种快速的反馈形式可能来自颈脊髓中一组称为固有脊髓神经元(PNs)的中间神经元。像许多其他神经元一样，PNs向运动神经元发送信号，这些神经元支配手臂肌肉并触发运动。但这个神经元子集也有一个独特的输出分支，从运动神经元向小脑投射。通过这种双分支结构，这些神经元有可能将运动输出信号的内部拷贝传送到大脑。

然而，这种内部反馈途径的性质以及它是否对运动产生任何影响并不清楚。“If PNs were indeed sending copies of outgoing motor commands to the brain, they could provide a conveniently rapid means of adjusting ongoing movements when things go awry,” said Eiman Azim, PhD, a postdoctoral fellow in Dr. Jessell’s lab and lead author of the first paper. “But without a way to selectively target the copy function of PNs, there was no way to test this theory.”

CUMC团队与瑞典Umeå大学综合医学生物学教授Bror Alstermark博士合作，开发了一种获取和消除小鼠PNs的遗传方法，消除了神经元发送的运动定向和复制信号，从而克服了这一技术障碍。当研究人员从三维角度量化缺乏pn的小鼠在抓取食物颗粒时的肢体运动时，他们发现小鼠准确抓取目标的能力严重受损。“基本上，他们的动作是不协调的，”阿齐姆说。“缺乏pn的老鼠总是过度或不足。”

但是随着PN输出信号的消失，PN复制信号的确切作用仍然不清楚。研究人员随后转向光遗传学——利用光来控制神经元活动。他们选择性地单独激活复制轴突分支，从发送给运动神经元的版本中校准复制信号。随着复制信号的改变，动物的到达能力受到严重损害，这表明PN拷贝通路能够影响目标指向的到达动作的结果。

PN复制信号也巧得速度快速。在传输PN复制信号后，电动机神经元活动仅需要4至5毫秒。“这些达到的运动通常需要200至300毫秒，因此PN复制信号通路似乎很好地纠正了臂运动，”Azim博士说。研究人员认为，该副本信号仅代表脊髓和大脑使用的许多类似的内部反馈通路之一，以验证整个身体的验证和正确的运动。

这些发现与人类运动表现有关吗?影响猴子和人类的触角和抓握的许多通路和回路在小鼠中是保守的。阿齐姆博士说:“在评估它们的功能障碍如何导致脊髓损伤和神经退行性疾病后出现的缺陷之前，我们需要对这些途径了解更多。”

在第二自然在这项研究中，CUMC的研究人员研究了脊髓回路如何调节来自肌肉的感觉反馈来控制运动。这种反馈系统最简单的形式包括反射通路(如膝反射)，肌肉中的感觉末梢通过与运动神经元的直接单突触连接将信号传递给运动系统。来自运动神经元的信号，反过来，导致肌肉收缩，完成反射周期。

长期以来，研究人员一直想知道这种感觉信号的强度是如何被调节的。研究表明，脊髓中间神经元——尤其是那些释放神经递质GABA、抑制神经元活动的神经元——在这一过程中发挥了关键作用。但大多数释放gaba的中间神经元是在突触后通过阻断突触接收端(两个神经元交流的间隙)神经元的兴奋来发挥作用的。

“我们知道，这样的神经元不太可能负责微调感觉信号，”首席作者安德鲁·j·p·芬克博士说，他曾是杰塞尔博士实验室的研究生。“突触后抑制影响整个神经元，运动神经元接受许多不同的输入。因此，关闭运动神经元所有输入的机制将缺乏完善。”

研究人员长期以来推测，通过控制来自肌肉的感觉反馈信号的强度，可以调节动作的一个枸杞子的子集。“已知这些特定的神经元通过形成与感官神经元的末端并抑制感觉神经递质的释放的直接连接来突出地工作，”福克斯博士说。出于技术原因，在电机行为中，这些中间核心的功能仍然难以捉摸。

芬克博士和他的同事在老鼠身上找到了一种从基因上获取中间神经元子集的方法，然后设计了一种方法，以选择性的方式操纵它们的功能。在一项实验中，他们通过光基因激活突触前抑制中间神经元，降低了感觉运动传递的强度。他们还通过使这些中间神经元选择性地对一种致命毒素敏感，从而消除了它们对感觉反馈强度的控制，从而切除了这些中间神经元。在没有感觉反馈调节的情况下，前肢的运动以严重的振荡性震颤为主，大大降低了运动的准确性。

该发现以及并行建模研究表明，突触前抑制性神经元通常根据电动机神经元的突触调节感觉反馈的“增益”，因此对于平滑执行运动至关重要。了解这些基本的微电路如何调节感官输入和电机输出，从长远来看，可以深入了解打击许多神经系统疾病中的运动不稳定和震颤的方式。

“这两项研究揭示了新的光线，脊柱间血液中型如何赋予神经系统，以符合手头特定任务的方式引导电机行为，”杰雷尔博士说。

第一篇论文发表在4月17日的自然，标题为“熟练的达到依赖于V2A ProprioStoSpinal内部复印电路。”作者是Eiman Azim（CUMC），Juan Jiang（Umeå大学，Umeå，瑞典），Bror Alstermark（Umeå大学），以及Thomas M. jessell（CUMC）。

这项研究得到了海伦·海·惠特尼基金会、霍华德·休斯医学研究所、Umeå大学、瑞典研究委员会、美国国家卫生研究院(NS033245)、哈罗德和莱拉·y·马瑟斯基金会(G. Harold and Leila Y. Mathers Foundation)以及als项目

第二篇论文将发表在5月1日的期刊上，题目是“脊髓感觉反馈的突触前抑制确保了运动的流畅。”作者是Andrew J. P. Fink (CUMC)， Katherine R. Croce (CUMC)， Z. Josh Huang (Cold Spring Harbor Laboratory, Cold Spring Harbor, New York)， L. F. Abbott (CUMC)， Thomas M. Jessell (CUMC)和Eiman Azim (CUMC)。

该研究得到了霍华德休斯医学院，国家卫生研究所的补助金（MH078844那MH093338.,NS033245)、哈罗德和莱拉·马瑟斯基金会、盖茨比慈善基金会、斯沃茨基金会、海伦·海·惠特尼基金会和als项目

作者声明没有经济或其他利益冲突。

哥伦比亚大学医学中心神经科学系CUMC的神经科学系，包括两位诺贝尔奖得主，专注于神经回路发展、组织和功能的基础方面，使用尖端生物物理、细胞成像和分子遗传学方法。该学院的教师具有分子和细胞生物学、系统神经科学、理论神经科学和生物物理学等领域的背景。

该部门拥有23名教师成员，主要任命和额外的12名学院成员，其中次级任命，以及40名博士后研究人员。该部门还向大学博士学位管理神经生物学和行为，拥有大约90名研究生。跨学科研究通过实验室的广泛合作以及其他哥伦比亚中心和机构，包括Mahoney-Keck Centurent，包括Mahoney-Keck Center，Kavli脑科学研究所，理论神经科学中心，电动神经科学中心and Disease, the Taub Institute for Research on Alzheimer’s Disease and the Aging Brain, and the Sackler Institute for Developmental Psychobiology. The department also has strong ties to the Faculty of Arts and Sciences on the university’s Morningside Campus.

莫蒂默·b·朱克曼大脑行为研究所哥伦比亚大学的Mortimer B. Zuckerman Mind - Brain - Behavior研究所是一个跨学科的中心，为全校的学者，在一个范围和规模上探索人类大脑和行为的水平，从细胞到社会的探索。该研究所的领导层，包括两名诺贝尔奖得主神经科学家，以及许多主要研究人员，将驻扎在45万平方英尺的杰罗姆·l·格林科学中心(Jerome L. Greene Science Center)，该中心目前正在曼哈顿维尔的新校区内崛起。该研究所结合了哥伦比亚大学在神经科学和生物、物理科学、社会科学、艺术和人文科学方面的优势，为来自哥伦比亚大学医学中心、文理学院、工程和应用科学学院、以及晨兴高地和华盛顿高地校区的专业学校。他们的共同使命是加深我们对人类状况的了解，并找到治疗疾病的方法。

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