科学家们看到运动神经元在实时“行走”

当你绕着街区散步时，你的身体基本上处于自动驾驶状态——你不需要有意识地思考用哪条腿走路，或者抬起一只脚和放下一只脚需要哪块肌肉。这要归功于脊髓中的一组细胞，它们帮助你的大脑和控制肌肉的运动神经元之间翻译信息。

现在，研究人员第一次创造了一种方法来实时观察这些运动神经元的活动。这项新技术由索尔克的科学家开发，并发表在神经元，正在帮助研究人员理解这一点脊髓细胞与运动神经元建立连接，以及临床医生如何能够修复脊髓损伤或神经退行性疾病患者的这些连接肌萎缩性侧索硬化症(肌萎缩性侧索硬化症)。

索尔克基因表达实验室的教授萨缪尔·普法夫(Samuel Pfaff)说:“在过去十年里，用光学方法观察神经元活动一直是一个梦想。”“现在，这是一个罕见的时刻，技术真正结合在一起，向你展示你以前看不到的东西。”

在过去，为了测量神经元的活动——无论是在大脑中还是在整个身体中——科学家们依赖于电极，当细胞被激活时，电极可以检测细胞内电压的变化。但是，使用电极同时记录许多不同类型神经元的活动，以研究它们的活动是如何同步的，这是很棘手的。

为了克服电极读数的缺点，普法夫的团队使用了一种名为GCaMP6f的荧光传感器蛋白质，每当神经元被激活时，这种蛋白质就会发光。与电极不同的是，这种蛋白质可以很容易地同时添加到许多不同的细胞中。当普法夫和他的同事将GCaMP6f添加到运动神经元中时，他们可以用显微镜观察当添加开启行走回路的化学物质时，小鼠脊髓中的哪些细胞被激活。

普法夫说:“你不需要做任何图像后处理来解释这一点。”“这些只是你可以通过显微镜目镜看到的原始信号。对于神经科学家来说，这真的是一种令人瞠目结舌的可视化。”

普法夫的研究小组用这种新方法回答了一个长期存在的问题，即脊髓中被称为“运动中枢模式发生器”(CPG)的细胞集合如何与正确的运动神经元连接，从而允许像走路这样的运动。普法夫说，CPG是大脑中相对简单的信号——向前走，或者把手从热炉子上移开——被转换成更复杂的指令，让运动神经元控制肌肉。

普法夫解释说:“我们的神经系统必须做出决定和计算，告诉不同的肌肉收缩，或者什么时候不收缩，或者收缩时使用的力量和速度。”科学家们认为，正是CPG帮助我们进行了许多这样的计算。因此，正常的运动需要脊髓中的CPG神经元连接并控制运动神经元何时放电。但是，直到现在，研究人员还不知道CPG细胞是如何形成这些连接的。

普法夫实验室的克里斯·欣克利(Chris Hinckley)通过调整运动神经元的位置和身份，然后使用新的荧光技术观察由此产生的激活模式，发现CPG并不仅仅依赖于细胞的位置来连接它们。相反，每一种细胞亚型的遗传特征——例如，控制股四头肌的细胞与控制小腿肌肉的细胞的不同之处——也很重要。

普法夫说，这是研究如何治疗的一个关键发现脊髓损伤和肌萎缩性侧索硬化症。目前，许多科学家正试图将干细胞转化为运动神经元，然后将其植入脊髓以再生受损的连接。然而，普法夫的新结果表明，一般的运动神经元可能无法解决问题——最好的治疗方法可能需要正确的神经元亚型运动神经元．然而，还需要做更多的工作来理解这一点的含义，以及它如何转化为疾病治疗。