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在食物充足的情况下，野生型秀丽隐杆线虫会一直进食，每间隔大约45s就会排便一次，仿佛一个设定好的程序。这一有趣的现象一直吸引着学者去研究其背后的运作机制。香港城市大学的助理教授刘强与北京大学的陶乐天博士共同指导的科研团队目前已经解开了这一个谜团。研究成果“C. elegans enteric motor neurons fire synchronized action potentials underlying the defecation motor program”已刊登在学术期刊《Nature Communications》上。
该研究揭示了线虫定时排便的关键神经机制：秀丽隐杆线虫头部的AVL和尾部的DVB是能够调节肠道运动的两个重要神经细胞。线虫肠道会在上皮细胞中产生周期性的“钙波”（钙离子周期性增加），AVL和DVB神经元会产生几乎同步的“全或无（all-or-none）的尖峰脉冲（钙介导的动作电位）”。线虫头部的AVL神经细胞每隔45秒左右发出一次神经脉冲，每次脉冲都会快速地沿着线虫身体的神经纤维传递到尾部的DVB神经元，激活DVB产生脉冲，几乎同步的AVL和DVB脉冲，一起刺激肠肌肉排出粪便。这项研究成果，有助日后研究动物重复行为和更高等动物的大脑功能。
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肠脑回路
作者构建了能在肠道及神经细胞中表达GCaMP6f的转基因线虫，由于每次发出神经脉冲的过程，钙离子都会涌入细胞内，通过特殊的荧光显微镜能观察到表达GCaMP6f 绿色荧光的转基因线虫由AVL到DVB的信号传导。实验过程中，作者们首先观察到有一轮的钙波沿肠道向下移动，大约3秒钟后，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）。
图1：AVL和DVB同步GCaMP6f荧光的代表性图像。
（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。
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多重任务的动作电位
作者直接测量单个AVL和DVB细胞的膜电压， AVL脉冲是由两个极接近的尖峰组成。第一个尖峰是一个正向且快速的信号（图2的红圈），这个信号快速传递到DVB，开启肠道肌肉运动进行排便。第二个尖峰是一个负向且较慢的信号（图2的黄圈），它能及时终止之前的正向尖峰信号，抑制肠道运动，防止过量排便。此外，每个AVL脉冲之后，会出现持续的“超级化后电位”（after-hyperpolarization）（图2的绿圈），抑制DVB及防止在排便周期之间误发神经脉冲。
图2：有规律的排便行为背后的尖峰神经元回路模型说明。
截至本篇论文，线虫中已被鉴定出三个脉冲神经元，包括一个感觉神经元和两个运动神经元，这表明线虫的神经系统可能比之前认为的更加多样化。作者在文中对未来开发一个解剖正确和生物物理精确的线虫系统模型提出了相关的假设，我们也期待在线虫身上看到更多的研究可能，发掘更深层次的生物机制。
