城大科學家破解令線蟲免於便秘的生物時鐘之謎
一支由香港城市大學（城大）神經科學家共同領導的科研團隊最近解開了一個30年的謎團。團隊發現了一個令線蟲定時排便的關鍵神經機制︰透過線蟲頭部產生的神經脈衝，在線蟲體內形成一個准確及穩定的“生物時鐘”，確保線蟲每隔大約45秒便定時排便一次，令排便的節奏不會出錯，也絕不會便秘。科學家相信上述的研究成果，有助日後研究更高等動物的大腦功能。
秀麗隱杆線蟲（Caenorhabditis elegans，簡稱C. elegans）在神經科學研究中早已獲得近乎徹底的研究分析，其神經系統全部302種細胞都已被識別及命名，科學家更已繪制了圖譜，詳列出這種線蟲神經系統細胞所有的神經突觸連接。但這種微小至肉眼幾乎看不到的小線蟲，體內卻存在一個可媲美電子鐘的奇妙生物時鐘，其背後的運作機制一直是個謎。
直至最近，由城市大學神經科學系助理教授劉強及北京大學的陶樂天博士共同指導的一個科研團隊終解開了上述謎團，研究成果早前並已刊登在著名的學術期刊《自然通訊》，標題為〈C. elegans enteric motor neurons fire synchronized action potentials underlying the defecation motor program〉。
「僅一毫米長的秀麗隱杆線蟲，被世界各地的生命科學家用作為模式生物。野生型的線蟲在食物極度充足的情況下會不停地吃東西，並每隔45秒就會排便一次，幾乎像時鐘一樣精確。它為什麼以及如何能做到這一點，吸引了不少科學家去研究背後的機制。」負責共同領導這次研究的劉強續說︰「我們最新的研究發現終於解開了這個30年的謎團，這不但加深了我們了解節律性的行為是如何產生，亦令我們更深入地理解到動物的神經系統和生理學之間的聯系。」
腸腦回路
秀麗隱杆線蟲調節腸道運動所涉及的兩個重要神經細胞，分別是線蟲頭部的AVL和尾部的DVB。劉強說︰「科學界早已知道，秀麗隱杆線蟲的腸道會在上皮細胞中產生周期性的『鈣波（鈣的周期性增加）』，鈣波會引發腸道神經肽的釋放，從而刺激AVL和DVB兩種神經細胞，導致排便。但是，腸道和腦部之間溝通的基本機制，則一直仍未清楚。因為兩個腸道神經元，一個在線蟲的頭部，另一個在尾部，究竟它們如何能夠在如此長的距離上相互通訊、同時又可以極為可靠及准確地處理從腸道收到的定時訊號？」他認為這次研究正好解答了以上難題：「我們首次證明了AVL和DVB神經細胞會產生『全或無（all-or-none）』的尖峰脈衝，又或稱為『動作電位（action potentials）』，這種數碼訊號令到線蟲頭部的AVL即時向尾部的DVB進行長距離通訊，以調節糞便的排出。」
（圖a）在神經細胞被激活前，線蟲從頭到尾的三個研究部分（圖中從左到右的三個方框）；
（圖b）在腸道發出首輪鈣波之後，線蟲頭部的AVL神經細胞（左格、大箭頭）、AVL神經纖維（左和中格、小箭頭）、肛門前神經與肌肉交界處（右格、小箭頭）和線蟲尾部的DVB神經細胞（右格、大箭頭）被激活。右格的紅色星號*顯示一個與排便周期無關及未受影響的細胞，以作為實驗對照組。(圖片來源: DOI：10.1038/s41467-022-30452-y)
簡單來說，線蟲頭部的AVL神經細胞定時控制排便。該細胞每隔45秒左右發出一次神經脈衝（或是放電的爆發）。每個脈衝都會立即通過神經纖維沿著線蟲身體傳遞，直達尾部的DVB神經細胞。然後DVB會被激發出一個脈衝，與來自頭部神經細胞近乎同步的脈衝，一起刺激腸肌肉排出糞便。
由於每次發出神經脈衝的過程，鈣離子都會湧入細胞內，研究人員遂通過使用特殊的顯微鏡來觀察由AVL到DVB的訊號傳導，這些線蟲經過轉基因編輯，在有鈣的時候會在腸道和神經細胞發出綠色螢光。實驗過程中，研究人員首先觀察到有一輪的鈣波沿腸道向下移動，大約3秒鐘後，他們在AVL和DVB幾乎同時檢測到出現鈣峰值。該峰值持續半秒，並大約每45秒重復出現一次（見圖1）。
AVL和DVB的鈣峰值與秀麗隱杆線蟲由頭到尾的肌肉運動相吻合，這些運動幾乎與糞便的排出同時發生。透過上述的發現，研究人員得出結論，盡管線蟲的腸道負責整個排便過程的大體節奏，但同步的AVL和DVB脈衝，正是控制著排便過程所需的從頭到尾身體活動和腸道運動的精確時間和協調。(觀看視頻)
多重任務的動作電位
（图片来源：香港城市大学刘强）
研究人員透過對單個的AVL和DVB細胞的膜電壓直接測量，亦確認了其動作電位的尖峰值的分布。他們仔細地測量後發現，線蟲頭部AVL產生的脈衝是一種不尋常的動作電位，由兩個極接近的尖峰組成。第一個尖峰是一個正向和快速的訊號（信號在100毫秒內上升到峰值，如圖2的紅圈），並快速傳播到DVB（毫秒之內），隨即啟動了導致排便的一系列肌肉運動。第二個尖峰則是一個負向和較慢的訊號（以秒為單位，圖2的黃圈），它會及時終止之前的正向尖峰訊號以抑制進一步的腸道運動，從而防止過量排便。此外，每個AVL脈衝之後，還會出現持續的「超級化後電位」（after-hyperpolarization）（以數十秒為單位，圖2的綠圈），以抑制DVB及防止它在不適當的時候發出排便脈衝。
劉強說：「線蟲頭部的AVL神經細胞在不同的時間尺度上，都對調節排便節奏方面起著最關鍵的作用。它不僅可作轉發，還可以在每個排便周期內透過重置系統來調節來自腸道的排便節奏訊號，防止在排便周期之間誤發神經脈衝，從而使到線蟲的生物時鐘保持穩定及准確。」
這項研究為將來進一步研究腸道與大腦的通訊和其他節律性動物行為背後的生物時鐘系統，開辟了新的路徑。劉強補充道：「我深信從這次線蟲研究中發掘到的大腦功能基本原理，將會成為一塊跳板，有助我們日後增加對更復雜的大腦如人腦的理解。」
這篇科學論文的共同第一作者是江靜媛和蘇逸凡，他們都是北京大學陶樂天博士指導的博士生。論文通訊作者是香港城大劉強。這項研究主要得到美國國家科學基金會、美國Kavli NSI Pilot Grant和中國國家自然科學基金委員會的支持。