当神经元与同一肌肉伙伴相互作用时，它们表现出不同的风格

麻省理工学院神经科学家的一项新研究揭示了看似相似的神经元亚型如何驱动果蝇的运动，当大脑的命令被传递到肌肉纤维时，发现了意想不到的多样性。一系列实验揭示了这两个神经细胞之间的巨大差异——一个神经元争先恐后地适应另一个神经元的不同变化，但当环境逆转时，却没有得到相应的回应。

研究结果发表在神经科学杂志的这些子类神经元在人类和许多其他动物中也大量存在，它们在应对变化的倾向上表现出以前未被认识到的多样性，这一关键属性被称为“突触可塑性“突触可塑性被认为是大脑中学习和记忆发生的基本机制，而这一过程的异常可能是自闭症等疾病的核心。”

“通过看到这两种不同类型的运动神经元实际上表现出非常不同的可塑性，这是令人兴奋的，因为这意味着它不仅仅是一件事情在发生，”资深作者特洛伊·利特尔顿说，他是皮考尔学习与记忆研究所的成员，也是麻省理工学院生物系和大脑与认知科学系神经科学的Menicon教授。“有多种类型的东西可以改变神经肌肉系统内的连通性。”

强音和相位神经元

这两个神经元以同样的方式工作，通过释放神经递质谷氨酸在它们与肌肉的连接或突触上。但这两种神经元的方式不同。“强直性”神经元只与一块肌肉相连，当肌肉活跃时，它以恒定但较低的速率释放谷氨酸。与此同时，“相位”神经元连接到一整组肌肉，并以强烈的快速活动脉冲插入，使肌肉开始活动。

在研究中，利特尔顿和主要作者妮可·阿蓬特-圣地亚哥好奇地探索这些不同的神经元是竞争还是合作来驱动肌肉纤维，以及当它们的功能被改变时，它们是否表现出不同的可塑性。为了开始最终成为她的论文研究，阿蓬特-圣地亚哥开发了一种方法，专门在两个神经元中分别定制基因改变。

“我们能够首先回答这些问题的原因是因为我们制造了工具，开始对一个神经元与另一个神经元进行不同的操作，或者对一个神经元与另一个神经元进行标记，”今年春天早些时候在利特尔顿实验室获得博士学位的阿蓬特-圣地亚哥说，她现在是加州大学旧金山分校的博士后。

通过对每个神经元的基因访问，Aponte-Santiago明确地标记它们，观察每个神经元在幼虫发育过程中的生长。她发现紧张性神经元先到达肌肉，而相位性神经元随后连接到肌肉。她还观察到，与哺乳动物不同的是，神经元并没有相互竞争来控制肌肉，而是并排在一起，每个神经元都以其特有的方式对驱动运动所需的总电活动做出贡献。

为了研究神经元的可塑性，Aponte-Santiago对每个神经元进行了两次操作。她要么通过让它们表达一种叫做“死神”的致命蛋白质来完全消灭它们，要么通过表达破伤风毒素来大幅降低它们的谷氨酸活性。

当她用“死神”消灭相位神经元时，紧张性神经元迅速发出信号，试图尽可能多地进行补偿。但在她清除了强音神经元的果蝇中，相位神经元根本不动，继续像什么都没有改变一样。

类似地，当Aponte-Santiago用毒素降低了相期神经元的活性时，强直性神经元增加了突触中的钮扣数量和活跃区结构，以应对失去伴侣的情况。但当她降低强音神经元的活动时，相位性神经元似乎又没有反应。

在所有实验中，肌肉从神经元获得的整体驱动力都比一切正常时要少。虽然相位神经元显然不会费心去弥补强音神经元部分的任何损失，但强音神经元采用了不同的方式来补偿——要么增加它的信号，要么加强它在肌肉上的连接数量——这取决于相位神经元是如何减少的。

“非常有趣的是，妮可发现，当相位输入不存在时，强音神经元表现出一种独特的可塑性，”利特尔顿说，“但如果相位神经元存在并且不工作，强音神经元就会以非常不同的方式表现出来。”

利特尔顿说，这项研究的另一个有趣的方面是肌肉本身的作用，它可能是可塑性的一个积极中介。当彼此被消灭或失活时，神经元可能感觉不到。相反，肌肉似乎在召唤这些变化。

利特尔顿说:“尽管肌肉有两个不同的输入，但它可以唯一地控制这两个。”“当肌肉得到谷氨酸，它是否知道它是来自强音神经元还是相位神经元它是否在意?它似乎很在意，它确实更需要主音而不是相音。当相位音消失时，它会改变一些可塑性，但当主音消失时，相位音就无能为力了。”

在新的工作中，实验室现在正在研究两种神经元之间基因表达的差异，以确定哪些蛋白质负责强音和相位神经元的独特性质和可塑性。通过定义它们独特特性的遗传基础，该实验室希望开始掌握大脑神经元多样性的分子基础。