模擬失重致后肢運(yùn)動皮層神經(jīng)元活動時序性變化的特征及機(jī)制研究

長期載人飛行過程中，失重環(huán)境引發(fā)的運(yùn)動行為改變直接影響航天員的工作能力，這一問題源于中樞運(yùn)動神經(jīng)功能變化與肌肉萎縮的共同作用。盡管已有研究證實航天飛行會導(dǎo)致大腦結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生改變，但中樞運(yùn)動神經(jīng)具體的變化特征一直不明確。因此，在模擬失重環(huán)境下監(jiān)測運(yùn)動皮層的神經(jīng)元活動，并探究其對運(yùn)動行為變化的調(diào)控機(jī)制具有重要意義。然而，先前因缺乏能夠?qū)崿F(xiàn)實時監(jiān)測、長期動態(tài)、單細(xì)胞分辨率神經(jīng)元活動記錄工具，無法對模擬失重小鼠運(yùn)動皮層神經(jīng)元在自由運(yùn)動行為時的動態(tài)變化進(jìn)行實時監(jiān)測。

為了進(jìn)一步解析模擬失重所引發(fā)的運(yùn)動皮層縱向功能變化的神經(jīng)機(jī)制，實現(xiàn)在單細(xì)胞水平上獲取模擬失重及其恢復(fù)期內(nèi)后肢運(yùn)動皮層神經(jīng)元活動的動態(tài)變化規(guī)律，利用超維景微型化雙光子技術(shù)實現(xiàn)了對小鼠后肢去負(fù)荷（HU）模擬失重及后續(xù)恢復(fù)階段的后肢運(yùn)動皮層L2/3神經(jīng)元活動的連續(xù)動態(tài)監(jiān)測。

2025年09月19日，中國航天員科研訓(xùn)練中心李英賢/厲建偉研究團(tuán)隊在國際著名期刊Research上發(fā)表題為“Dynamic Changes in Hindlimb Motor Cortex Neurons During Simulated Weightlessness Revealed by Miniature 2-Photon Microscopy”的研究論文（DOI: 10.34133/research.0877）。

論文上線截圖

該研究利用微型化雙光子成像技術(shù)等研究方法，發(fā)現(xiàn)長期模擬失重會導(dǎo)致小鼠運(yùn)動功能逐漸下降，并伴隨其后肢運(yùn)動皮層L2/3層神經(jīng)元活動的持續(xù)性改變。這些神經(jīng)元可分為“激活型”、“抑制型”和“無響應(yīng)型”三類，它們在模擬失重環(huán)境下表現(xiàn)出高度異質(zhì)性響應(yīng)特征，激活型神經(jīng)元在主動和被動運(yùn)動中的活動均隨時間增強(qiáng)，但被動運(yùn)動相關(guān)的激活神經(jīng)元比例下降，主動運(yùn)動相關(guān)比例則保持不變。值得注意的是，經(jīng)過兩周的恢復(fù)，小鼠的運(yùn)動行為恢復(fù)正常，雖然部分神經(jīng)元活動的恢復(fù)存在一定延遲，但是同類型神經(jīng)元的比例及活動水平也大多恢復(fù)至基線狀態(tài)（圖1）。
 

圖1.模擬失重下運(yùn)動行為與后肢運(yùn)動皮層神經(jīng)元活動的變化規(guī)律模式圖

本研究中，研究人員首先通過對模擬失重不同時間的小鼠進(jìn)行行為學(xué)測試。結(jié)果表明，隨著模擬失重時間的延長，小鼠運(yùn)動能力呈現(xiàn)漸進(jìn)性衰退。在曠場主動運(yùn)動實驗中，模擬失重28天的小鼠主動運(yùn)動行為較14天時進(jìn)一步下降，這表明除肌肉萎縮外，模擬失重引起的神經(jīng)系統(tǒng)（尤其是后肢運(yùn)動皮層）功能改變對這種運(yùn)動能力的漸近性變化同樣非常重要（圖2）。

圖2.模擬失重導(dǎo)致的運(yùn)動功能發(fā)生漸進(jìn)性衰退，該變化在尾吊結(jié)束兩周后恢復(fù)正常

接下來，研究人員發(fā)現(xiàn)了在長期模擬失重環(huán)境下后肢運(yùn)動皮層的神經(jīng)元活動呈現(xiàn)三類不同的響應(yīng)模式，其中22.9%的神經(jīng)元活動顯著降低，18%的神經(jīng)元活動顯著升高，剩余59.1%的神經(jīng)元活動無明顯變化（圖3、視頻1）。上述結(jié)果在單細(xì)胞水平上證實了模擬失重導(dǎo)致神經(jīng)元活動呈現(xiàn)持續(xù)性紊亂的狀態(tài)，這一發(fā)現(xiàn)為深入理解模擬失重環(huán)境對神經(jīng)功能的影響提供了重要依據(jù)。

圖3.雙光子鈣成像揭示了模擬失重誘導(dǎo)小鼠后肢運(yùn)動皮層神經(jīng)元活動的異質(zhì)性變化

使用雙光子成像對后肢運(yùn)動皮層神經(jīng)元進(jìn)行單細(xì)胞水平的鈣活動分析，研究人員發(fā)現(xiàn)在主動運(yùn)動（曠場實驗）和被動運(yùn)動（轉(zhuǎn)棒實驗）的行為學(xué)范式中，后肢運(yùn)動神經(jīng)元可分為“激活型”、“抑制型”和“無響應(yīng)型”三類，且在模擬失重下，這三類神經(jīng)元的鈣活動特征和比例變化呈現(xiàn)出高度異質(zhì)性。具體而言，在維持高速主動運(yùn)動行為時，模擬失重28天的小鼠后肢運(yùn)動皮層中激活型神經(jīng)元的活動較14天顯著增強(qiáng)，意味著隨著模擬失重時間延長，維持高速運(yùn)動行為需要更多的神經(jīng)元激活（圖4）。而在轉(zhuǎn)棒實驗的被動運(yùn)動行為中，盡管14天和28天模擬失重組的轉(zhuǎn)棒掉落時間無差異，但維持轉(zhuǎn)棒上被動運(yùn)動的后肢運(yùn)動皮層神經(jīng)元活動及比例均發(fā)生了顯著改變，證實模擬失重造成該區(qū)域神經(jīng)元活動的持續(xù)性變化。

圖4.模擬失重下小鼠后肢運(yùn)動皮層神經(jīng)元活動在曠場實驗中的變化

此外，研究還揭示了模擬失重影響后肢運(yùn)動皮層的分子機(jī)制。模擬失重狀態(tài)下，小鼠運(yùn)動皮層中與多巴胺能神經(jīng)分化、突觸傳遞與可塑性以及神經(jīng)內(nèi)分泌調(diào)節(jié)相關(guān)的基因發(fā)生顯著變化，其中對運(yùn)動控制至關(guān)重要的多巴胺能信號通路基因表達(dá)出現(xiàn)明顯改變。同時，后肢去負(fù)荷會顯著富集運(yùn)動皮層中的免疫炎癥相關(guān)通路，使Ccl3、Il31ra等神經(jīng)炎癥相關(guān)基因表達(dá)上調(diào)，而神經(jīng)炎癥則是導(dǎo)致該區(qū)域神經(jīng)元功能改變的重要原因。

該研究首次在單細(xì)胞水平闡明了模擬失重下后肢運(yùn)動皮層神經(jīng)元的動態(tài)適應(yīng)規(guī)律，揭示了中樞神經(jīng)系統(tǒng)在航天運(yùn)動功能改變中的重要作用。研究發(fā)現(xiàn)的“神經(jīng)元異質(zhì)性響應(yīng)”模式及多巴胺信號、神經(jīng)炎癥通路激活對失重所致神經(jīng)元功能變化的潛在調(diào)控機(jī)制為開發(fā)航天神經(jīng)功能紊亂的針對性保護(hù)措施提供了理論依據(jù)和新思路。同時該研究還為解析航天飛行過程中運(yùn)動功能的神經(jīng)調(diào)控模式提供了更多模態(tài)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，為探究中樞系統(tǒng)適應(yīng)模擬失重環(huán)境的神經(jīng)可塑性調(diào)節(jié)機(jī)制提供了新的角度。

中國航天員科研訓(xùn)練中心的李英賢研究員和厲建偉副研究員、北京大學(xué)分子醫(yī)學(xué)南京轉(zhuǎn)化研究院的張立風(fēng)研究員，以及甌江實驗室的凌樹寬研究員為該論文的共同通訊作者。中國航天員科研訓(xùn)練中心博士后/河南大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院范媛媛副教授，以及中國航天員科研訓(xùn)練中心的厲建偉副研究員為該論文的共同第一作者。本研究獲得了科技創(chuàng)新2030-“腦科學(xué)與類腦研究”重大項目、國家自然科學(xué)基金委、南京腦觀象臺探索計劃以及中國博士后科學(xué)基金等多個項目的經(jīng)費(fèi)支持。