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哈佛醫學院揭示“溼狗抖水”行為背後的神經機制

2024-11-10 22:02:15

在日常生活中,我們常常能看到狗狗從水中出來後會快速抖動身體,將身上的水甩掉,貓咪也會有類似的行為。這種可愛且有趣的 “溼狗抖水”(WDS) 行為,不僅出現在狗狗和貓咪身上,在眾多毛髮哺乳動物中都廣泛存在。當動物的背部毛髮皮膚接觸到水或其他刺激物時,往往就會觸發這一快速振動身體的動作。

實際上,這是一種具有重要進化意義的行為,能夠幫助動物去除背部毛髮皮膚上的水和刺激物,保持身體的乾爽與舒適,是動物們在長期進化過程中形成的一種本能反應。不過,動物們為什麼會有這樣的行為?它們的身體是怎麼知道要抖水的呢?

近日,發表於 Science 的一項研究中,來自哈佛醫學院的研究團隊針對於哺乳動物中常見的“溼狗抖水”行為展開了探究,發現這背後竟然隱藏著相當巧妙複雜的神經機制。不僅如此,研究人員透過綜合運用多種先進技術手段,包括基因操作、電生理記錄、鈣成像以及光遺傳技術等,詳細解析了從皮膚感覺神經元到大腦中樞的訊號傳遞通路,最終解釋了這一機制是如何執行的。

研究人員首先嚐試了各種各樣的方法刺激小鼠,如讓小鼠在水裡游泳、往小鼠身上噴水、在小鼠脖子上塗油滴、用風吹、用細毛觸碰,甚至給小鼠脖子打針。結果發現,這些刺激都能讓小鼠做出抖水的動作。

那麼,小鼠為什麼會因為這些刺激而抖水呢?是因為感覺到了機械刺激,還是別的原因呢?於是,他們透過基因操作特異性地刪除了小鼠身體上頸區以下背根神經節(DRG)神經元中的機械敏感離子通道 Piezo2。實驗結果顯示,Piezo2 突變體小鼠在面對頸部油滴或水浴刺激時,幾乎完全喪失了抖水行為。但是如果透過腹腔注射 TRPM8 冷敏感離子通道的激動劑 icilin(給予其機械刺激),卻能在突變體和對照小鼠中同樣有效地誘發這一行為。這說明,小鼠抖水主要是因為感覺到了機械刺激,而且該刺激正是透過 Piezo2 通道來傳遞訊號。

那麼,機械刺激是如何進一步引發溼狗搖晃行為的呢?

事實上,哺乳動物的毛髮皮膚由多種不同型別的初級體感神經元支配,這些神經元負責檢測和編碼各種環境刺激。為了找出介導機械誘發抖水行為的關鍵機械感覺神經元,研究人員進行了體內 DRG 鈣成像實驗。

他們聚焦於六種不同型別的 DRG 機械感覺神經元,在將油滴應用於大腿毛髮皮膚後,觀察這些神經元的反應。結果發現, 有三種神經細胞(C-纖維 LTMRs、Aδ-LTMRs 和 Aβ SA1 - LTMRs)對油滴的反應很強烈,另外三種(Aβ RA - LTMRs 和兩種 C-纖維高閾值機械感受器)則沒什麼反應。這就說明,前面那三種神經細胞(即C-纖維 LTMRs、Aδ-LTMRs 和 Aβ SA1 - LTMRs)很可能就是讓小鼠抖水的“開關”。

為了確定到底是哪種神經細胞能讓小鼠抖水,研究人員進一步採用了光遺傳技術,即在不同亞型的 LTMRs 中表達光啟用陽離子通道 ReaChR,並透過光照頸部或背部皮膚來啟用這些神經元,同時觀察小鼠的行為反應。

令人驚奇的是,當光照到 C-LTMRs 神經細胞的時候,小鼠就開始抖水了,且與油滴誘發的反應類似。但是光照到其他幾種 LTMRs 神經細胞的時候,小鼠卻沒有反應。這些結果充分表明,C-LTMRs 在抖水行為的誘發中起著至關重要的作用。在人類中,這些受體與愉悅的觸覺有關,例如輕柔的擁抱或撫慰的撫摸。但在老鼠和其他動物中,它們起著保護作用:提醒它們皮膚上有東西,無論是水、灰塵還是寄生蟲。

那 C-LTMRs 神經細胞又是如何讓小鼠的身體做出抖水動作的呢?

研究人員猜測,C-LTMRs 神經細胞可能會透過一個名為脊髓-臂旁(SPB)的通路,將訊號從脊髓傳到大腦的一個地方(外側臂旁核),從而讓小鼠抖水。為了證明這個想法,研究人員再次進行了試驗。一方面,他們發現啟用 C-LTMRs 神經細胞能讓 SPB 通路里的神經細胞產生反應,這就說明這兩個地方相連。不僅如此,當他們利用特殊的方法阻止了 SPB 通路傳遞訊號時,結果小鼠抖水的次數就大大減少了。這就證明了,C-LTMRs 神經細胞的確是透過 SPB 通路誘發小鼠抖水行為發生。

可以看到,在抖水行為背後,C-LTMR-SPB 通路在這個行為中起著至關重要的作用,該研究不僅讓我們對動物的行為機制有了更深入的瞭解,也為研究其他類似的行為和神經系統疾病提供了新思路。

參考文獻:

[1]Dawei Zhang et al.C-LTMRs evoke wet dog shakes via the spinoparabrachial pathway.Science386,686-692(2024).DOI:10.1126/science.adq8834

免責宣告:本文旨在傳遞生命科學和醫療健康產業最新訊息,不代表平臺立場,不構成任何投資意見和建議,以官方/公司公告為準。本文也不是治療方案推薦,如需獲得治療方案指導,請前往正規醫院就診。

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