直至最近，由城市大學(xué)神經(jīng)科學(xué)系助理教授劉強(qiáng)及北京大學(xué)的陶樂(lè)天博士共同指導(dǎo)的一個(gè)科研團(tuán)隊(duì)終解開(kāi)了上述謎團(tuán)，研究成果早前并已刊登在著名的學(xué)術(shù)期刊《自然通訊》，標(biāo)題為〈C. elegans enteric motor neurons fire synchronized action potentials underlying the defecation motor program〉。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，線蟲(chóng)頭部的AVL神經(jīng)細(xì)胞定時(shí)控制排便。該細(xì)胞每隔45秒左右發(fā)出一次神經(jīng)脈沖（或是放電的爆發(fā)）。每個(gè)脈沖都會(huì)立即通過(guò)神經(jīng)纖維沿著線蟲(chóng)身體傳遞，直達(dá)尾部的DVB神經(jīng)細(xì)胞。然后DVB會(huì)被激發(fā)出一個(gè)脈沖，與來(lái)自頭部神經(jīng)細(xì)胞近乎同步的脈沖，一起刺激腸肌肉排出糞便。

由于每次發(fā)出神經(jīng)脈沖的過(guò)程，鈣離子都會(huì)涌入細(xì)胞內(nèi)，研究人員遂通過(guò)使用特殊的顯微鏡來(lái)觀察由AVL到DVB的訊號(hào)傳導(dǎo)，這些線蟲(chóng)經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)基因編輯，在有鈣的時(shí)候會(huì)在腸道和神經(jīng)細(xì)胞發(fā)出綠色螢光。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，研究人員首先觀察到有一輪的鈣波沿腸道向下移動(dòng)，大約3秒鐘后，他們?cè)贏VL和DVB幾乎同時(shí)檢測(cè)到出現(xiàn)鈣峰值。該峰值持續(xù)半秒，并大約每45秒重復(fù)出現(xiàn)一次（見(jiàn)圖1）。

研究人員透過(guò)對(duì)單個(gè)的AVL和DVB細(xì)胞的膜電壓直接測(cè)量，亦確認(rèn)了其動(dòng)作電位的尖峰值的分布。他們仔細(xì)地測(cè)量后發(fā)現(xiàn)，線蟲(chóng)頭部AVL產(chǎn)生的脈沖是一種不尋常的動(dòng)作電位，由兩個(gè)極接近的尖峰組成。第一個(gè)尖峰是一個(gè)正向和快速的訊號(hào)（信號(hào)在100毫秒內(nèi)上升到峰值，如圖2的紅圈），并快速傳播到DVB（毫秒之內(nèi)），隨即啟動(dòng)了導(dǎo)致排便的一系列肌肉運(yùn)動(dòng)。第二個(gè)尖峰則是一個(gè)負(fù)向和較慢的訊號(hào)（以秒為單位，圖2的黃圈），它會(huì)及時(shí)終止之前的正向尖峰訊號(hào)以抑制進(jìn)一步的腸道運(yùn)動(dòng)，從而防止過(guò)量排便。此外，每個(gè)AVL脈沖之后，還會(huì)出現(xiàn)持續(xù)的“超級(jí)化后電位”（after-hyperpolarization）（以數(shù)十秒為單位，圖2的綠圈），以抑制DVB及防止它在不適當(dāng)?shù)臅r(shí)候發(fā)出排便脈沖。

這項(xiàng)研究為將來(lái)進(jìn)一步研究腸道與大腦的通訊和其他節(jié)律性動(dòng)物行為背后的生物時(shí)鐘系統(tǒng)，開(kāi)辟了新的路徑。劉強(qiáng)補(bǔ)充道：“我深信從這次線蟲(chóng)研究中發(fā)掘到的大腦功能基本原理，將會(huì)成為一塊跳板，有助我們?nèi)蘸笤黾訉?duì)更復(fù)雜的大腦如人腦的理解?！?/p>

這篇科學(xué)論文的共同第一作者是江靜媛和蘇逸凡，他們都是北京大學(xué)陶樂(lè)天博士指導(dǎo)的博士生。論文通訊作者是香港城大劉強(qiáng)。這項(xiàng)研究主要得到美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)、美國(guó)Kavli NSI Pilot Grant和中國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)的支持。

DOI: 10.1038/s41467-022-30452-y