城大科学家破解令线虫免于便秘的生物时钟之谜
一支由香港城市大学（城大）神经科学家共同领导的科研团队最近解开了一个30年的谜团。团队发现了一个令线虫定时排便的关键神经机制︰透过线虫头部产生的神经脉冲，在线虫体内形成一个准确及稳定的“生物时钟”，确保线虫每隔大约45秒便定时排便一次，令排便的节奏不会出错，也绝不会便秘。科学家相信上述的研究成果，有助日后研究更高等动物的大脑功能。
秀丽隐杆线虫（Caenorhabditis elegans，简称C. elegans）在神经科学研究中早已获得近乎彻底的研究分析，其神经系统全部302种细胞都已被识别及命名，科学家更已绘制了图谱，详列出这种线虫神经系统细胞所有的神经突触连接。但这种微小至肉眼几乎看不到的小线虫，体内却存在一个可媲美电子钟的奇妙生物时钟，其背后的运作机制一直是个谜。
直至最近，由城市大学神经科学系助理教授刘强及北京大学的陶乐天博士共同指导的一个科研团队终解开了上述谜团，研究成果早前并已刊登在著名的学术期刊《自然通讯》，标题为〈C. elegans enteric motor neurons fire synchronized action potentials underlying the defecation motor program〉。
“仅一毫米长的秀丽隐杆线虫，被世界各地的生命科学家用作为模式生物。野生型的线虫在食物极度充足的情况下会不停地吃东西，并每隔45秒就会排便一次，几乎像时钟一样精确。它为什么以及如何能做到这一点，吸引了不少科学家去研究背后的机制。”负责共同领导这次研究的刘强续说︰“我们最新的研究发现终于解开了这个30年的谜团，这不但加深了我们了解节律性的行为是如何产生，亦令我们更深入地理解到动物的神经系统和生理学之间的联系。”
肠脑回路
秀丽隐杆线虫调节肠道运动所涉及的两个重要神经细胞，分别是线虫头部的AVL和尾部的DVB。刘强说︰“科学界早已知道，秀丽隐杆线虫的肠道会在上皮细胞中产生周期性的‘钙波（钙的周期性增加）’，钙波会引发肠道神经肽的释放，从而刺激AVL和DVB两种神经细胞，导致排便。但是，肠道和脑部之间沟通的基本机制，则一直仍未清楚。因为两个肠道神经元，一个在线虫的头部，另一个在尾部，究竟它们如何能够在如此长的距离上相互通讯、同时又可以极为可靠及准确地处理从肠道收到的定时讯号？”他认为这次研究正好解答了以上难题：“我们首次证明了AVL和DVB神经细胞会产生‘全或无（all-or-none）’的尖峰脉冲，又或称为‘动作电位（action potentials）’，这种数码讯号令到线虫头部的AVL即时向尾部的DVB进行长距离通讯，以调节粪便的排出。”
（图a）在神经细胞被激活前，线虫从头到尾的三个研究部分（图中从左到右的三个方框）；
（图b）在肠道发出首轮钙波之后，线虫头部的AVL神经细胞（左格、大箭头）、AVL神经纤维（左和中格、小箭头）、肛门前神经与肌肉交界处（右格、小箭头）和线虫尾部的DVB神经细胞（右格、大箭头）被激活。右格的红色星号*显示一个与排便周期无关及未受影响的细胞，以作为实验对照组。(图片来源: DOI：10.1038/s41467-022-30452-y)
简单来说，线虫头部的AVL神经细胞定时控制排便。该细胞每隔45秒左右发出一次神经脉冲（或是放电的爆发）。每个脉冲都会立即通过神经纤维沿着线虫身体传递，直达尾部的DVB神经细胞。然后DVB会被激发出一个脉冲，与来自头部神经细胞近乎同步的脉冲，一起刺激肠肌肉排出粪便。
由于每次发出神经脉冲的过程，钙离子都会涌入细胞内，研究人员遂通过使用特殊的显微镜来观察由AVL到DVB的讯号传导，这些线虫经过转基因编辑，在有钙的时候会在肠道和神经细胞发出绿色萤光。实验过程中，研究人员首先观察到有一轮的钙波沿肠道向下移动，大约3秒钟后，他们在AVL和DVB几乎同时检测到出现钙峰值。该峰值持续半秒，并大约每45秒重复出现一次（见图1）。
AVL和DVB的钙峰值与秀丽隐杆线虫由头到尾的肌肉运动相吻合，这些运动几乎与粪便的排出同时发生。透过上述的发现，研究人员得出结论，尽管线虫的肠道负责整个排便过程的大体节奏，但同步的AVL和DVB脉冲，正是控制着排便过程所需的从头到尾身体活动和肠道运动的精确时间和协调。(观看视频)
多重任务的动作电位
（图片来源：香港城市大学刘强）
研究人员透过对单个的AVL和DVB细胞的膜电压直接测量，亦确认了其动作电位的尖峰值的分布。他们仔细地测量后发现，线虫头部AVL产生的脉冲是一种不寻常的动作电位，由两个极接近的尖峰组成。第一个尖峰是一个正向和快速的讯号（信号在100毫秒内上升到峰值，如图2的红圈），并快速传播到DVB（毫秒之内），随即启动了导致排便的一系列肌肉运动。第二个尖峰则是一个负向和较慢的讯号（以秒为单位，图2的黄圈），它会及时终止之前的正向尖峰讯号以抑制进一步的肠道运动，从而防止过量排便。此外，每个AVL脉冲之后，还会出现持续的“超级化后电位”（after-hyperpolarization）（以数十秒为单位，图2的绿圈），以抑制DVB及防止它在不适当的时候发出排便脉冲。
刘强说：“线虫头部的AVL神经细胞在不同的时间尺度上，都对调节排便节奏方面起着最关键的作用。它不仅可作转发，还可以在每个排便周期内透过重置系统来调节来自肠道的排便节奏讯号，防止在排便周期之间误发神经脉冲，从而使到线虫的生物时钟保持稳定及准确。”
这项研究为将来进一步研究肠道与大脑的通讯和其他节律性动物行为背后的生物时钟系统，开辟了新的路径。刘强补充道：“我深信从这次线虫研究中发掘到的大脑功能基本原理，将会成为一块跳板，有助我们日后增加对更复杂的大脑如人脑的理解。”
这篇科学论文的共同第一作者是江静媛和苏逸凡，他们都是北京大学陶乐天博士指导的博士生。论文通讯作者是香港城大刘强。这项研究主要得到美国国家科学基金会、美国Kavli NSI Pilot Grant和中国国家自然科学基金委员会的支持。
本文于 “香港城大研创” 微信公众号发布。
Wechat ID: CityU_Research
