從微小線蟲解析神經基礎元件─電性突觸形塑線蟲遷移的行為

在神經科學剛開始發展時，諾貝爾獎得主卡哈和高基對於神經網路究竟是如何連結的有著截然不同的看法，高基提出網狀學說─大腦是由是彼此相連、沒有斷點的網狀結構組成，而卡哈則認為是獨立的神經元相接。爾後隨著科學的演進，我們已知大致上大腦是如卡哈的理論，由獨立的神經元靠著化學性的突觸彼此傳遞訊息。部分神經元的連結是透過電性突觸，也就是裝上相連通的「水管」在兩個神經元之間，這個部分就和高基的理論較接近。隨後大多的神經科學研究多著墨在化學性的神經傳導是如何影響到我們大腦網路的運作。本篇研究團隊則利用線蟲，發現到電性突觸會幫助調控線蟲的AIY中間神經元的運作，讓線蟲在移動時專注在往目標方向前進，而不受到其他干擾而分心。結果發表在Cell。

線蟲在不同環境溫度下會有不同的移動策略，作者建立了一個溫度梯度的環境，野生型(正常)的線蟲喜歡待在培養的溫度區間(圖一A和E的灰色區段)，當被放置在這個溫度區間外(白色區域)，線蟲會沿著溫度梯度往培養的溫度區間(灰色)前進，稱為梯度遷移(gradient migration)。而到達這個溫度區間後則會進行等溫追蹤(isothermal tracking)，會感測環境溫度而儘量往在同個溫度區域移動(因此在灰色區域會是和梯度垂直的方向移動)(圖一A、B、E、F)。當研究團隊破壞innexin-1 (圖一D)，也就是「水管」這個蛋白質結構，則線蟲在區域外也會進行等溫追蹤(圖一C和G)，線蟲整體進行等溫追蹤的時間就會變多(圖一H)。
圖一、線蟲進行等溫追蹤和梯度遷移兩種移動策略會受到有無電性突觸影響

研究團隊接著找到這個策略的改變，是源自於AIY這種神經元。當有正常的innexin-1時，注入電流到一顆AIY神經元(AIYc)，另一顆AIY(AIYuc)就會跟著AIYc改變膜電位。而破壞innexin-1後就不會有這樣的變化(圖二)。
圖二、注入電流到AIY神經元後對另一顆AIY神經元的影響會受到innexin-1調控

接著他們給予不同的電流，收到電流的那顆AIY(AIYc)會因而有不同的膜電位變化，而innexin-1被破壞後，AIYc會更容易受到電流的改變而有較大的膜電位變化(圖三)。若再讓AIY神經元用基因工具表達connexin(哺乳類的「水管」)，則膜電位變化的效果就可以還原成正常的。因此作者們認為這個電性突觸，不僅只是傳統認為的傳遞速度較快，也可以幫助讓細胞的電容上升，濾除掉較微小的溫度變化「雜訊」，而讓線蟲能夠較專心的執行梯度遷移這個行為。
圖三、注入不同的電流對注入的那顆神經元的影響會受到innexin-1影響

筆者認為這個研究小而精確，雖說這樣的效果在計算神經科學的領域，過去已有這樣的理論，但單個神經元的電性突觸，改變細胞電容，就能夠有整個策略執行的影響，說明我們需要有更多的基礎研究，理解神經網路的基礎規則。


撰文：強敬哲


參考資料:
1.【兩位神經科學之父——高基和卡哈之間的愛恨情仇】
2. Almoril-Porras, A., Calvo, A. C., Niu, L., Beagan, J., García, M. D., Hawk, J. D., ... & Colón-Ramos, D. A. (2024). Configuration of electrical synapses filters sensory information to drive behavioral choices. Cell.

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