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科研进展

徐涛院士团队在《Nature Communications》发表论文揭示刺激信号强度编码新机制

发布时间:2018年10月18日

  2018年10月17日,Nature系列子刊《Nature Communications》在线发表了徐涛院士团队题为“Decoding the intensity of sensory input by two glutamate receptors in one C. elegans interneuron”的研究论文。该研究通过光遗传学、膜片钳电生理、胞内钙成像和行为学检测等技术,发现两种谷氨酸受体(GLR-1和GLR-5)通过触发不同的胞内信号通路,对环境化学信号的强度进行识别和解码,并指导不同行为的输出。这一发现将有助于理解感觉系统如何解码刺激信号强度,以及神经环路如何根据刺激强度编码相应的行为,对于揭示感觉神经系统功能的生理机制、指导人工智能和脑机融合中环境信号采集和处理功能的实现,具有重要的科学意义。

  解码环境刺激强度是感觉神经系统最基本的功能之一。生物体利用这些信息来调整他们的行为以应对不同的环境条件。例如,适度的花香清新淡雅、沁人心脾,可以消除疲劳、舒缓心情。但是当花香过于浓烈时,则可能干扰嗅觉和食欲,甚至引起胸闷、头痛、恶心和精神萎靡等症状。这引出了神经科学领域的重要问题:刺激强度是如何在神经信息处理的不同阶段编码,以及这些信息是如何转化成复杂的行为输出以指导生物体趋利避害?

  徐涛院士团队联合浙江大学康利军教授团队,利用模式生物秀丽隐杆线虫(C.elegans),发现在不同浓度的奎宁刺激下,中间神经元AIB可以同时调节两种类型的行为:回避响应和进食抑制。低浓度奎宁在AIB中被低阈值、快适应性的谷氨酸受体GLR-1解码,并通过神经递质谷氨酸作用于下游神经元转化为后退回避行为;而高浓度奎宁在AIB中被高阈值、慢适应性的谷氨酸受体GLR-5解码。GLR-5激活后,引起Ca2+从胞内ER钙库中大强度、持续性地释放,触发神经肽分泌,进而激活下游的RIM神经元,从而抑制进食。这项研究揭示了单个神经元通过两种不同性质的谷氨酸受体就可以解码环境化学刺激的强度,进而通过不同的胞内信号编码不同的行为输出,表明了信息传播的功能映射在单神经元水平上的重要性。

  模式图:Quinine刺激强度编码与处理的神经环路机制

  中国科学院生物物理研究所、中国科学院大学徐涛院士、中国科学院生物物理研究所纪伟正研级高级工程师、浙江大学医学院康利军教授为本文的共同通讯作者。中国科学院生物物理研究所付家俊和张海宁博士、浙江大学基础医学院邹文娟博士为共同第一作者。本工作受到国家重点研发计划、国家自然科学基金等资助。

  文章链接: https://www.nature.com/articles/s41467-018-06819-5

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