线虫节律运动神经环路与分子机制研究

Rhythmic locomotion modulates various physiological activities, such as walking and breathing etc., the neural circuit and molecular mechanisms that generate and regulate rhythmic locomotion, however, are still largely unknown. Based on the related study experiences, this project employs Caenorhabditis elegans (C. elegans) as model system to study the role of different motor circuit neurons in rhythmic locomotion, identify the key neuronal component of C. elegans motor central pattern generator (CPG). Combing with optogenetics, real-time cellular Ca2+ imaging and patch clamp electrophysiology approaches, we will comprehensively demonstrate the cellular physiological mechanism and dynamic regulation process of C. elegans motor CPG. Together with molecular biology and genetics screen methods, this study will also identify specific genes that are required for motor CPG, genes' expression patterns and functions, as well as how these genes regulate endogenous neuronal and motor CPG activities. This project will decipher the neural circuit and molecular mechanisms of C. elegans rhythmic locomotion, elaborate the dynamic regulation process of C. elegans CPG. It will provide experimental evidences for understanding rhythmic locomotion, and also provide new insights into possible diagnostic tool development or treatment investigation for related diseases.

节律运动调节多种生理活动，如步行、呼吸等，但产生和调控节律运动的神经环路与分子机制还知之甚少。本项目拟以秀丽隐杆线虫（C. elegans）为研究对象，基于以往工作积累，研究线虫运动环路中不同类型神经元在节律运动调控过程中的作用，鉴定组成线虫运动中枢模式发生器（CPG）核心神经元。结合光遗传、实时胞内钙成像以及电生理膜片钳等技术，系统阐述线虫节律运动CPG细胞生理机制和动态调节过程。并利用分子生物学和遗传学等方法，筛选线虫节律运动CPG依赖的特异基因，研究基因表达与功能，阐明基因对神经元以及节律运动CPG活性的作用。从分子--细胞--环路--行为等多层次，揭示线虫节律运动产生的神经环路与分子机制，阐述线虫CPG动态调控过程。本课题为理解节律运动的机制提供实验依据、为开发相关疾病诊断手段或治疗药物的研究提供理论基础。

节律运动失调是中枢（如帕金森综合症）或外周（如肌萎缩侧索硬化症）神经疾病的直观表现形式，但目前对于节律运动的神经环路组成与分子调控机制等尚不完全清楚，因此本项目针对上述问题开展研究。技术方面，本项目还开发了新型光场显微镜技术，以及基于纳米材料的近红外光（NIR）光遗传技术等，并应用到节律运动调控机制研究。主要研究成果包括以下四个方面：1）揭示线虫兴奋性A型运动神经元可作为节律振荡器，直接驱动节律后退运动； unc-2基因编码的电压激活的钙离子通道负责该类运动神经元的节律振荡活性。 2）发现调控运动发生的突触前SNARE复合物中的关键蛋白Syntaxin，其开放构型能广泛拯救不同突触囊泡分泌缺陷突变体的表型，说明Syntaxin的开放构型的是调节突触传递的通用途径。 3）合作发展了基于view-channel-depth神经网络算法的光场显微镜技术，实现快速三维图像序列的各向同性光场重构，并分析了自由运动线虫的运动神经元钙震荡活性与节律运动的相关性。4）开发了利用镧系上转换纳米粒（Upconversion nanoparticles, UCNPs）将NIR转换为蓝、绿、红光的近红外光光遗传（NIR-optogenetics）技术，激活或抑制线虫节律运动；并进一步利用该技术协同激活Chrimson和单线态氧产生蛋白（miniSOG），实现神经元的高效激活与损伤，调控节律运动。研究结果为理解和预防运动障碍疾病奠定了实验基础、为开发运动障碍诊疗手段提供了指导。本项目计划发表论文3-4篇，实际发表标注资助的论文7篇，皆为第一作者或通讯作者论文。