人和動物的行走、奔跑、遊泳、爬行等運動行為被稱為脊髓軀體運動(Locomotion)，其兩個基本特點是左右交替進行(Left-right alternation)和節律性(Rhythmicity)。控制脊髓軀體運動的神經中樞位於脊髓腹側的運動區域，定義為「脊髓中央模式產生器 (Spinal Central Pattern Generator, 脊髓 CPG)」 1。 脊髓CPG神經環路的主要組成神經元是由軸突投射向同側的興奮性穀氨酸能中間神經元，軸突投射向對側的抑制性甘氨酸能中間神經元以及膽鹼能運動神經元組成1, 2。同側投射的興奮性穀氨酸能中間神經元肩負著設定整個神經網絡的興奮性和節律性的作用1, 2。
在胚胎發育過程中，受Shh和 BMPs兩種不同形態生長因子的濃度梯度在脊髓背側和腹側對神經祖母細胞分化的調控，脊髓運動網絡的神經元被分化為V0, V1, V2, V3 中間神經元和運動神經元2。這個分化方式在脊椎動物（魚類，兩棲類和哺乳類動物）的脊髓中被很好的保留。其中V2a神經元是同側投射的興奮性穀氨酸能中間神經元的一種，表達轉錄因子蛋白Chx10 2。 在斑馬魚脊髓神經環路中，通過光遺傳學的方法激活脊髓V2a神經元，能夠誘發脊髓運動。這說明脊髓V2a神經元是脊髓CPG中設定興奮性和節律性的重要神經元，與運動速度相關；可以激活脊髓CPG神經環路，驅動運動神經元，激活肌肉，引發運動。
示意圖 脊髓運動神經環路模塊化結構
在前期和此研究中，課題組採用成年斑馬魚的ex-vivo模型，通過全細胞膜片鉗記錄對V2a神經元進行了一系列的細節研究。通過雙通道膜片鉗記錄的方法，課題組發現快速，中速或者慢速V2a神經元選擇性地分別與快速，中速或者慢速的運動神經元形成強突觸連接；然而其他組合突觸連接卻很弱或者沒有連接。由此可見脊髓CPG神經環路中興奮性的傳遞是模塊化的結構，可分為快速，中速和慢速三個V2a-MN模塊。隨著運動速度由慢至快的增加，慢速V2a-MN模塊首先激活，由慢速V2a神經元驅動慢速運動神經元完成慢速運動，隨後越來越多的中速和快速V2a神經元激活，從而激活中速和快速V2a-MN模塊，實現運動速度的增加。
簇髮式和非簇髮式放電V2a神經元電生理特性(A, C)，形態學(B, D)和功能(A, C)的多樣化
進一步研究發現，V2a神經元根據電生理特性（放電模式）可以進一步分為簇髮式放電和非簇髮式放電模式。 簇髮式放電V2a神經元放電時同時釋放多個動作電位，從形態學上來說其軸突是下行性投射，並且軸突與運動神經元形成的突觸位置是位於運動神經元的樹突上；然而非簇髮式放電V2a神經元放電時每次只產生一個動作電位，從形態學上來說其軸突發生了分叉投射，其中一條軸突上行投射，另外一條軸突下行投射，並與運動神經元在胞體上形成突觸。簇髮式放電V2a神經元在其形成突觸連接的運動神經元上產生了巨大的突觸疊加效應；這個突觸疊加效應依賴於突觸後的NMDA受體。通過計算和分析，研究發現激活慢速運動神經元只需要約2個簇髮式放電V2a神經元，激活中速運動神經元需要約6個V2a神經元，然而激活快速運動神經元卻需要超過40個V2a神經元。由於本身脊髓V2a數目限制，脊髓運動神經環路可以自由的產生慢速和中速運動速度，然而卻很難產生快速運動。這與現實相似，現實中我們可以慢速運動很長時間，然而卻很難保持長時間快速運動。
該項研究成果首次從脊髓神經元的功能多樣化角度解釋了編碼脊髓運動速度的神經環路基礎，為研究脊髓神經元亞分類、神經環路構成以及相關疾病打下基礎。研究以「V2a interneuron diversity tailors spinal circuit organization to control the vigor of locomotor movements」為題目，發表於Nature Communications (https://www.nature.com/articles/s41467-018-05827-9)。同濟大學為第一作者和共同通訊作者單位，合作單位是瑞典卡羅林斯卡醫學院神經科學系。