Cell | 电突触在引导行为选择中的机制

撰文 | 格格

行为输出依赖于感官信息。感官信息可以根据电路中突触的配置进行差异化处理，从而使类似的感觉刺激在情境依赖的方式下引发不同的行为策略【1-2】。这种动作选择机制对于动物避免在行为选择点对相似感觉刺激部署不兼容的移动策略至关重要【3-4】。秀丽隐杆线虫 （C. elegans） 的热趋性行为提供了一个可研究的模型，用于探究动作选择的电路和突触基础【5】。 C. elegans 没有先天的偏好温度，而是通过在食物存在的情况下学习其培养温度 （称为“培养温度”，或 Tc） 来获得偏好温度。当处于温度梯度中时，动物会执行两种行为策略来到达并保持在学习的Tc内：在温度梯度中迁移以达到Tc （梯度迁移） 和遇到Tc时跟踪等温线 （等温跟踪） 。已知支持热趋性行为的特定神经元和它们的连接性，例如热感神经元AFD和中间神经元AIY【6-7】。AFD通过化学突触与AIY相连接，而AIY还与运动神经元RIMs形成电突触。这些突触配置如何影响热感信息处理和行为选择尚不清楚。

2024年12月31日，来自美国耶鲁大学医学院神经科学系和细胞生物学系的DanielA. Colón-Ramos研究团队在Cell杂志发表题为Configuration of electrical synapses filters sensory information to drive behavioral choices的研究论文，该研究旨在通过研究C. elegans的热趋性行为来探究动作选择机制，重点关注AIY中INX-1形成的电突触如何影响热感信息处理和行为选择。

研究首先对秀丽隐杆线虫进行热趋性行为测试，包括经典的热趋性行为测试和针对等温追踪的改良测试。结果显示，野生型线虫在接近其偏好温度的区域，约12%的时间用于等温追踪，平均每次追踪持续65秒。等温追踪持续时间的分布符合指数衰减，半衰期为34.4秒。为了找到影响行为选择的基因，研究人员进行了一项正向遗传筛选，寻找在等温追踪方面表现优于野生型的突变体。结果显示，ola375突变体在等温追踪方面表现出异常的持续性：它们在等温追踪中花费的时间比例几乎是野生型的三倍，平均追踪持续时间也超过野生型的两倍。等温追踪持续时间的分布仍然符合指数衰减，但衰减速率减慢，半衰期延长至83.2秒。此外，ola375突变体在等温追踪中出现的次数减少，转向次数也减少。

遗传分析表明，ola375突变体为隐形单基因遗传，其遗传病变导致inx-1基因发生错义突变和插入/缺失突变，导致第五个编码外显子出现早期终止密码子。研究人员进一步验证了 ola375突变体为inx-1基因的隐形功能丧失突变体。此外，研究人员通过基因回补实验和细胞特异性敲除实验，确定了INX-1在AIY神经元中发挥作用，抑制等温追踪。

研究人员使用钙成像技术研究了AIY神经元之间的电突触功能。在野生型动物中，去极化电压能够有效地抑制AIY神经元的钙活性，但在inx-1 （tm3524） 突变体中，只有被去极化的 AIY神经元 （AIYc） 的钙活性被抑制，而未被去极化的AIY神经元 （AIYuc） 的钙活性仍然活跃。AIYuc的钙信号在去极化电压之前保持安静，但在inx-1 （tm3524） 突变体中，AIYuc的钙信号在去极化电压之前会出现波动。这些结果表明，野生型动物中的AIY神经元对去极化电压的响应是同步的，而在inx-1 （tm3524） 突变体中，AIY神经元之间的电突触功能受损。为了进一步研究INX-1电突触对AIY神经元兴奋性的影响，研究人员测量了AIY神经元的膜电阻 （Rm） 和膜电容 （Cm） 。结果显示，与野生型相比，inx-1 （tm3524） 突变体的AIY神经元表现出显著的Rm增加和Cm 减少，表明，AIY神经元之间的电突触功能可能通过分流兴奋性电流来减弱AIY神经元对感觉输入的响应。

AIY神经元的活动通过抑制转向来调节动物的运动，从而引起和维持向前运动的“奔跑”行为。在等温追踪过程中，动物会强烈抑制转向，以保持奔跑状态。研究人员假设，在inx-1突变体中，由于AIY神经元之间的电突触功能受损，AIY神经元对感觉输入的响应频率可能会增加，从而导致动物在等温追踪过程中停留时间过长。为了验证这一假设，研究人员使用钙成像技术研究了AIY神经元对温度振荡刺激的响应。结果显示，在野生型动物中，AIY神经元的钙信号发生率为0.020 Hz，而inx-1 （tm3524） 突变体中AIY神经元的钙信号发生率为0.031 Hz，表明inx-1突变体中的AIY神经元对温度变化的响应频率更高。inx-1 （tm3524） 突变体中AIY神经元之间的钙信号相关性降低，表明它们的响应更加异步。这些结果表明，inx-1 突变体中的AIY神经元对温度变化的响应频率增加，导致动物在等温追踪过程中停留时间过长，从而“被困”在该行为状态中。

图1 电突触配置：过滤感官信息，引导行为选择

总之，该研究发现线虫中INX-1蛋白在AIY内部神经元的电突触中发挥关键作用，帮助它们过滤温度感受器的信号，从而在温度梯度迁移和等温跟踪之间做出正确的行动选择。这项研究揭示了电突触配置如何影响感知信息处理和特定行为策略的部署，为理解神经回路如何应对不同环境提供了新的视角。

https://doi.org/10.1016/j.cell.2024.11.037

制版人：十一

参考文献

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