原著
脊髓损伤修复
保护与再生
提出神经元调控肌肉协调运动的“信使区”假说
北京大学人民医院殷晓峰团队
骨骼肌的协调收缩依赖于这些肌肉与多类脊柱运动神经元之间的选择性连接。中国北京大学人民医院殷晓峰团队结合与溶剂清除器官三维成像兼容(3DISCO)的多重逆行示踪方法，并利用光片荧光显微镜三维成像技术对支配小鼠后肢深部肌肉不同运动神经元的空间分布和相对位置进行可视化研究，并提出了“信使区”假说，即在支配协同或拮抗剂肌群的运动神经元池之间存在交错区域(被定义为信使区)，其中交错分布的神经元可能作为信使神经元参与肌肉协调。这项研究不仅揭示了支配小鼠不同深层肌肉的多个运动神经元池之间精确的相互位置关系，还更新和补充了支配小鼠肌肉的脊髓运动神经元的系统化三维视觉图谱。
下行传导通路是神经冲动传递到骨骼肌的最后通路，其功能是结合神经冲动并经周围神经传递到运动终板，引起肌肉收缩。在人体的脊髓中，有超过12万个运动神经元支配着300多对双侧肌肉中的1亿多根肌纤维。因此，骨骼肌的协调收缩依赖于这些肌肉和多种类型的脊髓运动神经元之间的选择性连接。所以必须确定这些神经元之间的精确位置关系，这也是神经科学家不断探索的关键课题之一。无论是通过外周靶向骨骼肌向骨骼肌输送治疗性蛋白以维持神经肌肉接头功能，还是通过中枢靶向脊髓运动神经元将含有转基因序列的病毒载体逆行转运到相应的运动神经元池，或是直接肌内移植骨髓干细胞，骨骼肌和运动神经元池之间的地形关系一直是一些神经肌肉疾病(如杜氏肌营养不良症和肌萎缩侧索硬化症)肌内注射治疗策略的基础。了解特定肌肉和脊髓运动神经元之间的关系也将为此类疾病的相关治疗方案的发展提供解剖学基础。研究表明，参与协调肌肉收缩的多个运动神经元以运动柱的形式排列在脊髓中，哺乳动物肢体肌肉仅受外侧运动柱支配。在脊髓发育过程中，支配特定骨骼肌的运动神经元集合被定义为运动神经元池，运动神经元池在脊髓中的分布具有整体拓扑结构：肢体背侧和腹侧肌肉分别受外侧和内侧运动神经元池支配，而肢体近端肌肉受更多的脊髓头端运动神经元池支配，然而，支配小鼠不同肌肉的多个运动神经元池之间精确的相互位置关系的研究十分有限。既往对靶向不同肌肉的运动神经元的研究研究仅采用单标记示踪方法，只能在一个标本中同时绘制单个运动神经元池。因此，只能观察到单一的运动神经元池如何针对特定肌肉控制肌肉收缩。此外，标记的神经元只能通过机械切割切片来观察，这往往会导致信息的转换或丢失。然而，随着组织光学清除技术的巨大进步，殷晓峰等开发了一种与3DISCO兼容的多重逆行跟踪技术，可以同时观察多个运动神经元池如何靶向相应肌肉以协调肌肉收缩。因此，研究支配相应肌肉的多个运动神经元池的精确相互位置关系得以实现。利用此项技术，该团队已经探索了支配小鼠浅层肌肉的运动神经元的三维空间分布特征。
此次实验将小鼠的深部肌肉按照不同的神经支配进行分组，利用FG，CTB488，CTB555和CTB647四种逆行示踪剂同时对2-4块不同的肌肉进行注射，以追踪支配相应肌肉的多个运动元池在脊髓的空间分布特征。注射示踪剂7d后，取小鼠脊髓，以3DISCO方法对脊髓组织进行透明化处理，然后利用荧光显微镜可视化支配不同肌肉的多个脊髓运动神经元的三维分布特征和精确相互位置关系（图1）。结果发现，支配小鼠后肢肌肉的运动神经元主要分布在脊髓T11-L1神经根节段间，为小鼠脊髓腰膨大部分，且这些运动神经元池通常呈规律性分布（图2）：1）支配肢体近端肌肉的运动神经元池比支配远端肌肉的神经元池更位于同一脊髓的腹侧和头侧；2）支配肢体屈肌的运动神经元池比支配伸肌的神经元池更位于同一脊髓的内侧；3）支配协同或拮抗肌的脊髓运动神经元池总是位于相同或相似的神经根节段，且在这些神经元池区域内总是有部分脊髓运动神经元交错分布。因此根据这一结果，殷晓峰等提出了“信使区“假说，假定交错区域(被定义为信使区)内交错分布的神经元可能作为信使神经元参与肌肉的协调运动（图3）。此项研究将继续探索支配小鼠深部肌肉的神经元的三维分布特征以形成系统化的三维视觉图谱。
图1追踪支配相应肌肉的多个运动元池在脊髓的空间分布特征（图源：Huang et al., Neural Regen Res, 2024）
图2支配不同肌肉的运动神经元池的数量分布和空间分布特征（图源：Huang et al., Neural Regen Res, 2024）
图3“信使区“假说中涉及的参与肌肉协调收缩的三种可能的信号传递模式（图源：Huang et al., Neural Regen Res, 2024）
通讯作者：殷晓峰，为北京大学人民医院创伤骨科研究员兼副教授。
第一作者：黄辰，为北京大学人民医院创伤骨科在读硕士。
并列第一作者：王申，为北京大学人民医院创伤骨科在读博士。
基金资助：国家自然科学基金项目（82072162），项目负责人：殷晓峰。
文章在《中国神经再生研究（英文版）》杂志2024年7期发表。
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https://www.sjzsyj.com.cn/CN/10.4103/1673-5374.387972
引用本文：
Huang C, Wang S, Deng J, Gu X, Guo S, Yin X (2024) A “messenger zone hypothesis” based on the visual three-dimensional spatial distribution of motoneurons innervating deep limb muscles. Neural Regen Res 19(7):1559-1567.
