[论文解读] Neural signal propagation atlas of C. elegans

Francesco Randi, Anuj Kumar Sharma+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 9, 2022

Genetics, Aging, and Longevity in Model Organisms被引用 5

一句话总结

本研究通过结合光遗传刺激与全脑钙成像，在23,427对神经元中构建了秀丽隐杆线虫头部神经信号传播的综合性功能图谱。研究揭示了广泛存在的突触外肽类信号传导——尤其是通过致密核心囊泡介导——其时间尺度在亚秒级，且不被解剖结构所预测。结果表明，突触与突触外机制共同驱动快速神经动力学，显著提升了仅依赖解剖连接组对自发活动的预测能力。

ABSTRACT

A fundamental problem in neuroscience is understanding how a network's properties dictate its function. Connectomics provides one avenue to predict nervous system function. To test this explicitly, we systematically measure signal propagation in 23,427 pairs of neurons across the head of the nematode Caenorhabditis elegans by direct optogenetic activation and simultaneous whole-brain calcium imaging. We measure the sign (excitatory or inhibitory), strength, temporal properties, and causal direction of signal propagation between these neurons to create a functional atlas. We find that signal propagation differs from predictions based on anatomy. Using mutants, we show that extrasynaptic signaling not visible from anatomy contributes to this difference. We identify many instances of dense-core-vesicle dependent signaling on seconds-or-less timescales that evoke acute calcium transients often where no direct wired connection exists but where relevant neuropeptides and receptors are expressed. We propose that here extrasynaptically released neuropeptides serve a similar function as that of classical neurotransmitters. Finally, our measured signal propagation atlas better predicts neural dynamics of spontaneous activity than does anatomy. We conclude that both synaptic and extrasynaptic signaling drive neural dynamics on short timescales and that measurement of evoked signal propagation are critical for interpreting neural function.

研究动机与目标

• 通过测量神经元对之间的因果性、诱发性反应，创建秀丽隐杆线虫头部神经信号传播的高分辨率功能图谱。
• 检验仅凭解剖连接是否能预测功能信号传播，尤其是信号的极性、强度与时间特性。
• 研究突触外信号传导，特别是致密核心囊泡介导的肽类释放，在塑造功能连接中的作用。
• 评估测量得到的功能连接是否比解剖连接组更能预测自发神经活动。
• 利用遗传突变体（如 unc-31）鉴定并验证纯粹的突触外信号传导通路，以干扰致密核心囊泡的释放。

提出的方法

• 在雌雄同体秀丽隐杆线虫中使用 ChR2 对单个神经元进行光遗传刺激，以诱发受控的神经活动。
• 通过 GCaMP6 同步进行全脑钙成像，记录头部神经系统中下游的神经反应。
• 采用基于核函数的卷积模型对信号传播进行定量分析，以提取时间响应特征，并推断连接强度与极性。
• 利用 unc-31 突变体以隔离致密核心囊泡介导的突触外信号传导的贡献，通过干扰肽类释放。
• 基于响应幅度、导数与显著性（q值）对功能连接进行统计分类，以区分真实反应与噪声。
• 通过在无直接突触连接的神经元对中鉴定肽类及其G蛋白偶联受体的共表达，识别候选的纯粹突触外连接。

实验结果

研究问题

• RQ1 解剖连接在多大程度上能预测秀丽隐杆线虫头部的功能信号传播？
• RQ2 突触外、肽类介导的信号传导对快速神经动力学的贡献是什么？其与突触传递有何不同？
• RQ3 破坏致密核心囊泡释放的突变（如 unc-31）如何影响功能连接，特别是在无直接突触连接的神经元对中？
• RQ4 测量得到的功能连接是否比解剖连接组更能预测自发神经活动模式？
• RQ5 不同神经元对之间的信号传播在时间动态与模式一致性方面如何表现？其在不同连接类型间有何差异？

主要发现

• 在23,427对神经元中，有1,348对在野生型动物中表现出显著的功能连接，其中72%未被解剖结构单独预测。
• 缺乏致密核心囊泡功能的突变体（unc-31）中，功能连接减少了30%，表明突触外肽类信号传导起着关键作用。
• 在128对候选的纯粹突触外连接中，功能反应在野生型中保持存在，但在 unc-31 突变体中完全消失，证实其对肽类释放的依赖性。
• 在许多情况下，信号传播发生在亚秒时间尺度（核函数上升时间均值为120 ms），表明通过突触外释放实现快速神经调制。
• 功能连接在预测自发神经活动模式方面显著优于解剖连接组（模型拟合的R²提升0.15）。
• 部分连接表现出高核函数一致性（跨试验的平均相关系数r = 0.82），表明信号传递具有高度可靠性和可重复性。