上海
一條小線蟲在培養皿里爬行時，頭部正以兩種節奏同時運動——這恰是神經系統平衡穩定與靈活的縮影。
乍看之下，線蟲只是沿一條蜿蜒曲線勻速前行。但高速顯微錄像揭示了更精細的結構：它的頭部運動包含兩種成分—— 一種是緩慢的左右規律擺動，另一種是疊加其上、持續亞秒級的快速偏轉，被稱為“甩頭”（head cast）。
最近發表于Current Biology的一項 題為：Multi-timescale motor circuit dynamics underlie adaptive and efficient exploratory behavior的 研究 ， 進一步揭示了快速甩頭的神經回路來源及其在運動中的作用。本研究 綜合 運用 了高速行為錄像、光遺傳神經元消融、鈣成像和神經-力學建模。秀麗隱桿線蟲（ Caenorhabditis elegans ）通體透明，其 302 個神經元的連接組已被完整繪制，適合在單細胞水平研究運動控制 。
兩種時間尺度上的頭部運動
通過對頭部曲率信號的頻率分離，研究者明確了兩種成分：一種是與全身波動耦合、推動線蟲前進的緩慢節律性彎曲；另一種是疊加其上的亞秒級快速甩頭，與運動方向的偏置相關 。
研究者分別消融三類運動神經元——RMD、SMD 和 SMB——觀察行為變化。結果顯示：SMD 和 SMB 共同維持慢節律和頭-身耦合，SMD 參與維持穩定的彎曲狀態；RMD 則主要調節快速甩頭。RMD 消融后，線蟲仍可爬行，但身體彎曲幅度變大，爬行速度和效率隨之下降 。
甩頭的兩種功能
研究進一步顯示，這些快速甩頭與兩種行為輸出相關聯 。
其一，與方向調整相關。當某一側的甩頭更頻繁時，爬行軌跡會朝該側逐漸彎曲 ——這 對應 于線蟲 已知的“風向標”式 （weathervane） 導航 ，即沿化學梯度逐步偏轉，而非通過急轉彎改變方向 。以往研究多將其歸因于兩側運動神經元增益的不對稱；該研究提出甩頭數量的不對稱可能是另一種實現機制，但這一假說仍需在有感覺梯度的環境中進一步驗證 。
其 二，與運動效率相關。基于細長體在瓊脂表面爬行的力學模型，研究者以最大化前進速度為目標對頭部肌肉輸入進行優化，得到的最優波形與實際觀察到的甩頭相似。加入甩頭后，線蟲的身體彎曲角度更接近力學最優（約 45°），前進效率提高，肌肉耗能下降。實驗中 RMD 消融的線蟲彎曲角度偏離最優值、速度也顯著低于野生型，與模型預測一致 。
雙重反饋回路
這種快慢并行的動力學如何在回路層面產生？研究者提出了一個雙反饋模型：SMD/SMB 接受頸部彎曲信號的"慢反饋"，驅動緩慢的左右切換；RMD 接受頭部位置的"快反饋"，觸發瞬時的糾正性甩頭。該模型可定量再現頭-頸相位差和 RMD 消融后的曲率變化。為驗證慢反饋，研究者光遺傳抑制頸部肌肉，發現頭部單側持續彎曲的時間顯著延長，與模型預測一致。需要指出的是，模型所假設的感覺輸入與機械感受器身份仍需進一步確認。
這種"慢節律打底、快調整疊加"的組織方式在其他系統中也有類似觀察：多足動物的姿勢控制與快速調整分屬不同時間尺度；哺乳動物 的 呼吸節律回路中，慢節律 放電之 上也疊加著更快的小型脈沖。這些相似性提示了一種可能的共同框架 。
小尺度回路，多尺度的運動控制
這項研究以線蟲為最簡模型，揭示了少數神經元如何同時產生穩定節律與靈活調整，并將這種組織方式與運動效率聯系起來，為理解多時間尺度運動控制提供了一個清晰的框架，也為在更復雜神經系統中檢驗類似機制提供了具體的研究路徑。
這項工作由中國科學技術大學溫泉研究組與北京大學陶樂天研究組合作完成 ，北京大學張恒博士為論文主要聯系人（lead contact）。
原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0960982226005804
制版人： 十一
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