長(zhǎng)期載人飛行過程中，失重環(huán)境引發(fā)的運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(shí)航天飛行會(huì)導(dǎo)致大腦結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生改變，但中樞運(yùn)動(dòng)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(cè)運(yùn)動(dòng)皮層的神經(jīng)元活動(dòng)，并探究其對(duì)運(yùn)動(dòng)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)、單細(xì)胞分辨率神經(jīng)元活動(dòng)記錄工具，無(wú)法對(duì)模擬失重小鼠運(yùn)動(dòng)皮層神經(jīng)元在自由運(yùn)動(dòng)行為時(shí)的動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

為了進(jìn)一步解析模擬失重所引發(fā)的運(yùn)動(dòng)皮層縱向功能變化的神經(jīng)機(jī)制，實(shí)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(dòng)皮層神經(jīng)元活動(dòng)的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，利用超維景微型化雙光子技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)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(dòng)皮層L2/3神經(jīng)元活動(dòng)的連續(xù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

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

圖2.模擬失重導(dǎo)致的運(yùn)動(dòng)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

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(dòng)皮層神經(jīng)元活動(dòng)的異質(zhì)性變化

圖4.模擬失重下小鼠后肢運(yùn)動(dòng)皮層神經(jīng)元活動(dòng)在曠場(chǎng)實(shí)驗(yàn)中的變化

此外，研究還揭示了模擬失重影響后肢運(yùn)動(dòng)皮層的分子機(jī)制。模擬失重狀態(tài)下，小鼠運(yùn)動(dòng)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(duì)運(yùn)動(dòng)控制至關(guān)重要的多巴胺能信號(hào)通路基因表達(dá)出現(xiàn)明顯改變。同時(shí)，后肢去負(fù)荷會(huì)顯著富集運(yùn)動(dòng)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。

該研究在單細(xì)胞水平闡明了模擬失重下后肢運(yùn)動(dòng)皮層神經(jīng)元的動(dòng)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(dòng)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(hào)、神經(jīng)炎癥通路激活對(duì)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(duì)性保護(hù)措施提供了理論依據(jù)和新思路。同時(shí)該研究還為解析航天飛行過程中運(yùn)動(dòng)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。