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突触变异性为有节奏的运动模式提供适应性

训练有素的运动员疾跑100码,可进行高度定型的重复运动模式。神经科学家理解,这些有节奏的运动程序,例如步行,游泳和跑步,是由神经电路产生的,该神经电路产生的重复模式在各个周期之间都相似。一个多世纪以前,对脊髓的实验提出了一个建议,即简单的神经网络可以产生这种有节奏的振荡发射方式。这些振荡网络现在称为中央模式发生器。在分析中央模式发生器产生的这些触发模式时,神经科学家传统上一直专注于实验准备,其中每个周期的节奏输出几乎相同。但是,为了使动物或人成功,运动程序必须具有适应性。在湿滑的表面上行走的人的运动模式与在干燥的光滑表面上行走的人的运动模式不同。食用坚果和干浆果的格兰诺拉麦片的个人的运动模式与食用普通燕麦片的个人的运动模式不同。

突触变异性为有节奏的运动模式提供适应性

最初,生成可变运动程序对于将来的学习也是必不可少的。在发育过程中,孩子会从高度变化的模式开始学习产生成熟的运动模式。早期,蹒跚学步的行走非常不稳定,但是不久他们就可以以一致的步态行走。当年长的人学习新的活动(例如游泳或滑冰)时,将执行相同的过程。逐渐地,神经系统开始持续产生更成功的运动程序。学习歌曲的鸟会经历类似的过程-歌曲的开头是可变的,但逐渐地,它变得更加刻板或一致。

神经系统如何产生可变的运动程序?最近,南京南京大学的研究人员和深圳鹏程实验室的研究人员与纽约西奈山的同事合作,研究了运动程序,该程序用于喂食海蜗牛Aplysia的简单神经系统。这些研究人员确定了重要的基本机制,通过该机制,给料中央模式发生器的兴奋性输入强度的变化导致了料电动机程序的灵活性。当一个神经元向另一神经元提供输入时,它通常会引起电反应,即突触后电位。早就认识到,单个突触后电位通常低于阈值以触发突触后反应。此外,突触后电位振幅通常随时间变化很大,甚至不到十分之一秒。尽管这似乎不是最理想的,但作者证明了在某些条件下,这种可变性可以转化为行为灵活性。

海洋蜗牛海螺具有相对较少的神经细胞,并且相同的单个神经细胞具有特征,可以从一种动物重新识别为另一种动物。利用他们与识别出的神经元协同工作的能力,作者证明了来自两个上游识别出的神经元之一的突触输入可以驱动枢轴中心模式生成器神经元的活动,而神经元的兴奋性较低。来自一个上游神经元的输入是可变的并且非常弱,并且并不总是导致模式生成器神经元触发。因此,激活该上游单元时感应的电机程序是可变的。相反,尽管来自第二上游神经元的输入类似地可变,但是它实际上更强。所以,模式发生器神经元被可靠地激励,电动机输出的可变性小得多。因此,电路是产生定型的还是可变的模式取决于哪个上游神经元驱动活动。优雅的计算模型研究强化了生理学发现,并揭示了更多的见解,从而阐明了突触变异性和强度对不同程度的运动程序变异性的特定贡献。

总而言之,作者证明了突触输入的可变性与中央模式生成器神经元的低水平兴奋性相结合,为蜗牛提供了切换为更多可变行为模式的能力。未来的研究将揭示哺乳动物运动程序变异性的类似变化是否可以通过类似的机制来解释。

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标签: 突触变异性
点击次数:更新时间2020-06-28【打印此页】??【关闭
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