蛔虫根据强光改变其“口腔”的物质流动 揭示神经元控制肌肉细胞的新方法

作为霍维茨实验室的一名研究生，Nikhil Bhatla对这种能力提出了一个解释。他观察到，光照不仅使蛔虫蠕动，而且还促使它们停止进食。这条线索导致他进行了一系列的研究，表明蛔虫根本没有“看到”光–它们正在“检测”光产生的有毒化学物质，如过氧化氢。不久之后，霍维茨实验室的研究人员意识到，蛔虫不仅能尝到光产生的讨厌的化学物质，它们还能把它们吐出来。

现在，在《eLife》上发表的一项研究中，由研究生Steve Sando领导的团队报告了C. elegans中吐出的机制。单个肌肉细胞通常被认为是神经元能够独立控制的最小单位，但研究人员的发现对这一假设提出了质疑。在吐出物质的情况下，他们确定神经元可以指导单个肌肉细胞的专门亚区产生多种运动–扩大了我们对神经元如何控制肌肉细胞以塑造行为的理解。

麻省理工学院生物学教授、麦戈文大脑研究所和科赫综合癌症研究所成员、霍华德-休斯医学研究所研究员以及该研究的资深作者H. Robert Horvitz说："Steve 有一个了不起的发现，即一个特定肌肉细胞的小区域的收缩可以与同一细胞的其他部分的收缩脱钩。此外，Steve 发现，这种亚细胞的肌肉区间可以由神经元控制，从而极大地改变行为。"

蛔虫就像吸尘器一样，在周围蠕动着吸走细菌。虫子的“嘴”（也称为“咽”）是一个肌肉管子，它可以捕获食物，将其咀嚼，然后通过一系列的"抽吸"收缩将其转移到肠道中。

十多年来，研究人员已经知道，蛔虫会逃离紫外线、紫光或蓝光。但是Bhatla发现，这种光也打断了咽部的持续抽动，因为光产生的味道非常讨厌，以至于蠕虫暂停了进食。当他仔细观察时，Bhatla注意到蛔虫的反应实际上是相当细微的。在最初的停顿之后，咽部短暂地再次开始短促地抽动，然后完全停止–几乎就像虫子在品尝了难闻的光线之后还在咀嚼一番。有时，一个气泡会从口中流出，就像打嗝一样。

在他加入这个项目后，Sando发现，这些蛔虫既没有打嗝，也没有继续咀嚼。相反，"爆裂泵"正在将物质推向相反的方向，从嘴里出来，进入当地环境，而不是进一步回到咽部和肠道。换句话说，“味道不好”导致蠕虫吐出。然后，Sando花了数年时间用强光在显微镜下追逐他的研究对象，并以慢动作记录它们的行动，以便确定这种行为所需的神经回路和肌肉运动。

"发现蛔虫在‘吐口水’让我们相当惊讶，因为嘴巴似乎就像它在咀嚼时一样在移动，"Sando说。"事实证明，你真的需要放大并放慢速度来看看发生了什么，因为动物是如此之小，而行为发生得如此之快。"

为了分析在咽部发生了什么以产生这种“吐口水”的动作，研究人员使用了一束微小的激光，通过手术从口腔中移除个别神经和肌肉细胞，并分辨出这是如何影响蛔虫的行为。他们还通过用特别设计的荧光"报告"蛋白标记它们来监测口中细胞的活动。

他们看到，当蛔虫在进食时，靠近咽部前端的三个称为pm3的肌肉细胞以同步脉冲的方式一起收缩和放松。但是一旦蛔虫尝到了光的味道，这些单个细胞中最靠近口腔前部的亚区就会锁定在收缩状态，打开口腔前部，让物质被推出去。这扭转了摄入物质的流动方向，并将进食转化为吐出。

研究小组确定，这种"解耦"现象是由蛔虫口腔后部的一个单一神经元控制的。这个神经细胞被称为M1，它在pm3肌肉的前端刺激了钙的局部流入，可能负责触发亚细胞收缩。

M1负责转发重要信息。它接收来自许多不同神经元的传入信号，并将这些信息传递给参与“吐口水”的肌肉。Sando和他的团队怀疑，传入信号的强度可以调整蠕虫对品尝光的反应行为。例如，他们的研究结果表明，令人反感的味道会引起强烈的反应，而轻微的不愉快的感觉会使蠕虫更温和地吐出，只需将内容物喷出即可。

在未来，Sando认为这种蠕虫可以作为一个模型来研究神经元如何触发肌肉细胞的亚区收缩和塑造行为–他们怀疑这种现象发生在其他动物身上，可能包括人类。

“我们基本上找到了一种神经元移动肌肉的新方法，”Sando说。“神经元协调了肌肉的运动，这可能是一个新的工具，使它们能够施加一种复杂的控制。这是相当令人兴奋的。”