海兔摄食指令神经元诱发可变性运动输出的环路机制

Behavioral flexibility, represented as variability in motor output, is a common feature of motivated behaviors in both vertebrates and invertebrates. Variability in motor output may be an optimal strategy to achieve a goal in an uncertain environment. Despite the importance, circuitry basis of behavioral flexibility remain poorly understood. We use an experimentally advantageous model system, mollusc Aplysia, to study variability in the feeding motor output. Most significantly, we found that two feeding command-like interneurons, i.e., CBI-2 and CBI-10, both drive motor programs, but variability in cycles of programs that they elicit differs. This provides us a unique opportunity to study circuitry basis of motor output flexibility in a single system, because Aplysia feeding pattern-generating elements and motoneurons have been well characterized. We will determine circuitry, synaptic and cellular mechanisms underlying different variability in motor programs elicited by CBI-2 and CBI-10. Specifically, we will test the hypothesis that CBI-2 and CBI-10 act preferentially on elements of the pattern-generating circuit to produce different variability in motor programs. We will also determine if different complements of neuropeptides that CBI-2 and CBI-10 may also contribute to the difference in variability. This original study will provide a comprehensive understanding of how network and cellular mechanisms may produce different motor output by command-like interneurons in a single network, and therefore leading to a better understanding of motor output flexibility, and ultimately behavioral flexibility. Because flexible expression of behavior is essential for motivated behavior, and malfunction in behavioral expression may lead to neuropsychiatric disorders such as Parkinson’s diseases and Huntington’s diseases, our study may ultimately help to find better treatment to these disorders.

在脊椎动物和无脊椎动物中常见的行为可变性表现为运动输出的可变性，这种现象是动物在多变环境中采取的优化策略。虽然行为可变性非常重要，但其神经环路基础却尚不清楚。我们采用具有独具优势的实验模型——海兔来研究运动输出可变性。我们之前的工作发现了一个具有重要意义的现象：两个都能引发运动程序的摄食指令神经元所引发运动程序周期的可变性却不一样。前期工作已对海兔的摄食模式发生元件及运动神经元有了深入研究，这为我们提供了在单一系统里研究行为可变性的切入点。本课题主要工作是研究不同可变性的环路、突触和细胞机制。具体地说是要验证我们提出的假说：两个指令神经元由于优先作用于不同的模式发生元件从而产生不同的可变性。此外，还要研究不同神经肽是否影响运动输出可变性。上述原创性研究有望对行为可变性的网络及细胞机制提供全新的认识。由于行为表达异常可能导致帕金森等疾病，因此，研究成果将对寻找治疗此类疾病的方法提供重要帮助。

无脊椎和脊椎动物的动机性行为（如摄食行为）往往表现出可变性来产生一种可能的最优行为策略，并伴随着神经调制。目前行为可变性及神经调制的神经机制尚不清楚。本项目中，我们使用具有实验优势的模式动物—软体动物加州海兔，通过分子、细胞生物学、生理学、药理学和计算机模拟等方法来探究这些机制。.首要的课题中，我们发现两类在摄食行为中均激活的指令神经元，但其所引发的运动程序却具有不同程度的可变性。进一步研究表明，这两类指令神经元均可激活一个关键的模式发生元件B34，但对B34的兴奋性突触后电位(excitatory postsynaptic potentials, EPSPs)的大小不同。因此B34在这两类指令神经元引发的运动程序中激活水平不同，而B34的激活水平恰恰决定了程序可变性的大小。此外，我们还发现两类指令神经元对B34所诱发的EPSPs的大小在同组反复测量时变化性较大，表明存在突触噪音。接着我们使用计算机建模证明了低突触强度和突触噪音是产生运动输出可变性所必需的。其它课题中，我们在鉴定对摄食程序具有调制作用的神经肽及其G蛋白偶联受体(G-protein coupled receptors, GPCR)方面取得了重要进展。我们发现，海兔中两个神经肽家族Aplysia leucokinin-like neuropeptides和Aplysia SPTR-Gene Family-Derived Peptides能靶向不同的模式发生元件，缩短摄食程序的齿舌伸长阶段的持续时间。我们还研究了另外两个神经肽家族，其既可以全由L型氨基酸构成，也可以在翻译后修饰阶段转换为含D型氨基酸残基的神经肽(D-amino-acid containing peptides, DAACPs)。我们鉴定了它们的GPCRs，并证明许多天然神经肽（包括DAACPs）及神经肽类似物在受体和行为发生环路上表现出相似的激活模式，表明受体可以调节生理功能。这些发现为进一步研究这些神经肽及其受体在运动可变性的产生和调制中的作用提供了坚实的基础。.综上，本课题中首要重要成果是鉴定了前馈环路中运动可变性的突触机制，并在一流期刊发表。其次，我们在摄食系统中鉴别了多个神经肽家族的调制机制及其受体的相关功能，大大拓展了我们的研究范畴。由于在高等动物（包括人）中同样存在运动可变性和神经调制现象，本项目发现的机制有望具有广泛适用性。