撰文 | Gladiator
脊椎動物肢體運動神經元（MNs）位於脊髓中，神經元網路將來自大腦的訊號與來自身體的感覺反饋整合在一起進而協調肢體的運動【1】。儘管數百年來，關於中樞神經系統如何組織和發育已經有了較多的研究【2】，但目前對於運動控制的迴路以及期間所涉及的連線機制仍未闡明。
黑腹果蠅 (Drosophila melanogaster) 具有包括行走、飛行、逃跑反應、梳理和求愛等複雜和特徵明確的行為，常作為模式動物用於運動控制的機制研究【3】。近年來技術上的進步實現了透過體內電生理記錄和鈣成像對成年果蠅行為過程中基因識別的VNC神經元研究，也為研究行為過程中與運動相關的活動模式提供了新的思路【4,5】。電鏡（EM）是對映神經元迴路結構連通性的金標準，前期EM相關研究已經對果蠅的神經系統以及腦部進行了描述，但是有關腹神經索這一連線多個運動器官和感覺器官的連線中樞仍十分有限【6】。
2021年1月4日，哈佛醫學院神經生物系研究團隊Wei-Chung Allen Lee在Cell上發表題為Reconstruction of motor control circuits in adult Drosophila using automated transmission electron microscopy 的文章。該研究團隊研發了一種用於神經連線組學的自動磁帶傳輸電子顯微鏡傳輸系統，並基於此實現了突觸級別解析度的果蠅控腹神經索結構，發現運動神經元與感覺神經元的重建結果與標準圖譜高度一致，進一步揭示了果蠅控制肢體所涉及的詳細神經機制。
研究人員首先開發了一種結合自動磁帶收集超微切片掃描電鏡 (ATUM-SEM)方法和具有透射電鏡成像的優點的GridTape系統（圖1）。為了以突觸解析度成像進行研究，顯微鏡使用壓電奈米定位器自動拼集每個部分，然後，磁帶被轉換到位置的下一部分使連續無人值守繼續操作。透過使用一個2 *2相機陣列，研究人員實現了Mpixels畫素每秒的有效成像率，並且成功將成本控制在300000美元/顯微鏡左右。
圖1 圍繞網格磁帶建立的高通量連續斷面透射電子顯微鏡(TEM)示意圖
GridTape是一種自動透射電子顯微鏡傳遞途徑，用於在突觸解析度上對成年果蠅控制肢體所有腹神經索的運動神經元重建以揭示運動控制的通路。為了繪製運動控制下的迴路，該研究團隊建立了一個包含成年雌性果蠅VNC的資料集，該資料集包括VNC、頸部結締組織和部分大腦食道下神經節，包含86.3萬億立體畫素，跨度為2100萬μm3 (圖2) 。從4355個連續的冠狀切片中捕獲影象體積，每個切片大約45奈米厚，並將其收集到GridTape上。聯合其他分析資料，總體量達到了2,060萬張影象，或172.6 TB原始資料。經過STARmethods特殊軟體處理以後，研究發現MNs有位於VNC的細胞體，投射到VNC的背側層，在神經鞘內不包含突觸囊泡或突觸前特化，而感覺神經元在VNC中沒有細胞體，更多地在腹側分枝，並在神經纖維網中產生突觸輸出，即運動神經元和感覺神經元在周圍神經中佔據不同的區域（圖3）。
圖2 成年果蠅腹神經索(VNC)資料集
圖3 運動和感覺神經元的重建揭示了神經的精確功能域
靈活的運動控制很大程度上依賴於本體感受器的反饋，本體感受器是一類測量身體位置、速度和負荷的感覺神經元。無論是脊椎動物還是無脊椎動物，中樞神經系統都會處理本體感受反饋來調節運動輸出。因此，研究進一步透過左腿前部感覺軸突的主要分支的重建，發現感覺神經元的四種主要功能亞型 (不同顏色) 可以從它們的投射模式中識別出來，分別為神經纖維網ProAN、前胸副神經ProLN、腹側前胸的神經VProN和前胸背神經DProN。同時發現脊索軸突可進一步分為多個亞型。與此同時，透過對感覺神經元和運動神經元以及果蠅機械力感受器軸突的研究發現，第一種型別只投射到與其腿起源相對應的神經管節上。第二個投射到與身體同側的其他腿相對應的同側神經團。第三種稱為雙側CS (bCS) 神經元投射到多個同側和對側神經元（圖7）。結合其他研究表明雙側投射的腿部感覺神經元共同啟用支配不同腿的運動神經元，而且可將直接感覺反饋到運動神經元。而事實上，對逃避反應的研究表明，高速運動通常是由最快的神經元通路控制的，儘管單突觸的感覺-運動神經元連線在果蠅幼蟲中並不常見。
圖7 快速脛骨屈肌運動神經元是bCS神經元的主要突觸靶點
綜上所述，本研究開發GridTape研究果蠅運動行為背後的神經迴路機制，該技術種結合了自動序列段採集和自動高通量傳輸EM的技術。利用這個資料集，本研究透過重建所有507個控制四肢的運動神經元來研究控制腿和翅膀運動的神經元網路。研究發現一類特定的腿部感覺神經元直接與運動神經元突觸，代表了一種獨特的快速肢體控制途徑。此外，本研究還提供對資料集和重建的開放訪問，能夠實現不同系統間（EM和光學顯微鏡）細胞資料的匹配，特別是，研究還提供了GridTape設計程式及軟體的使用方法進而可實現低成本服務於神經科學領域的其他研究的目標。
原文連結：
https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.12.013
製版人：十一
參考文獻
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