体内的生物钟是如何让人按时排便的
由香港城市大学(CityU)神经学家共同领导的研究小组发现了线虫生物钟的一种关键机制，这种机制可以确保线虫以稳定的间隔排便，从而保持规律。
排便过程由线虫头部的神经细胞定时控制。这个细胞大约每45秒就会发出一次神经脉冲，或者说是放电。每一次冲动都是通过一条与尾部神经细胞接触的神经纤维沿着线虫传播的。然后，这个细胞发出脉冲，连同头部神经细胞几乎同步的脉冲，刺激下肠肌肉排出粪便。
“秀丽隐杆线虫被世界各地的生命科学家作为一种模式生物。当野生型线虫有充足的食物时，它们会不停地进食，但每45秒就会拉屎，几乎像时钟一样精确。线虫为什么以及如何做到这一点吸引了研究人员来研究它的潜在机制。我们的发现解开了这个30年的谜团，加深了我们对有节奏的行为产生以及动物神经系统和生理学之间的联系的理解。”
这项研究由城市大学的Liu Qiang博士和北京大学的Louis Tao博士共同指导。该研究结果于2022年5月19日发表在《自然通讯》杂志上，标题为“C。秀丽隐杆线虫的肠道运动神经元在排便运动程序下产生同步动作电位。
肠脑电路
秀丽隐杆线虫它在神经科学和大脑研究中得到了很好的研究，其神经系统的所有302个细胞都已被识别、命名，并与它们的所有神经连接进行物理映射。参与调节肠道运动的两种重要神经细胞是头部的AVL和尾部的DVB。
研究人员已经知道秀丽隐杆线虫肠道在上皮细胞中产生周期性的钙离子(钙波)增加，引起肠道神经肽的释放，刺激AVL和DVB神经细胞，导致排便。然而，肠道和大脑之间沟通的潜在机制尚不清楚。线虫的两个肠道神经元，一个在头部，一个在尾部，是如何在处理从肠道接收到的时间信号时，进行如此长距离的交流，并具有显著的稳健性和准确性?刘博士说。“我们首次表明，AVL和DVB神经细胞产生全或无尖峰脉冲，或动作电位，这种数字信号让头部的AVL与尾部的DVB进行即时的长距离通信，以调节粪便排出。”
因为钙离子在每次神经冲动时都会涌入细胞，研究人员通过一种特殊的显微镜来观察线虫的AVL-to-DVB信号，这些线虫被编程为在钙存在的情况下发出荧光绿色。他们首先观察到一波钙沿着肠道移动。大约3秒后，他们在AVL和DVB中几乎同时检测到钙峰值，持续半秒，大约每45秒重复一次(见图1)。
AVL和DVB的钙峰值与头尾肌肉运动一致，几乎与排出粪便同时发生。从这些发现中，研究人员得出结论，尽管肠道本身是一般的排便起搏器，但同步的AVL和DVB脉冲控制着排便步骤所需的头尾身体和肠道运动的精确时间和协调。
多任务处理动作电位
直接测量分离的AVL和DVB细胞细胞膜上的电压，证实了它们动作电位的尖峰分布。进一步的检查显示，AVL冲动是一种不寻常的动作电位，由两个紧密相连的尖峰组成。第一个突波是一个积极而快速的信号(信号在大约100毫秒内上升，图2中的红色圆圈)，它迅速传播到DVB(以毫秒为单位)，并开启肌肉运动的序列，导致肠道运动。第二个尖峰是一个负的、较慢的信号(以秒为单位，图2中的黄色圆圈)，它关闭序列以抑制进一步的肠道运动，从而防止过多排泄。此外，每个AVL脉冲之后还会有一个长期的负欠冲阶段(在几十秒内，图2中的绿色圆圈)，在本不应该发生的情况下抑制DVB误射脉冲。
刘博士说:“头部的AVL神经细胞在多个时间尺度上调节排便节律方面发挥着最关键的作用。”“它不仅继电器和调节肠道起搏器信号，在每次排便周期重置系统，并防止神经在周期之间出错，从而保持生物钟的强健和准确。”
这项研究为进一步研究动物重复行为背后的肠道-大脑交流和其他生物钟系统铺平了道路。刘博士补充说:“我毫不怀疑，通过研究线虫获得的大脑功能的基本原理将被用作了解像我们这样更复杂的大脑的跳板。”
这篇论文的共同第一作者是蒋靖远和苏一凡，他们都是北京大学陶博士指导的博士生。通讯作者为刘博士。这项工作主要得到了美国国家科学基金、美国Kavli NSI试点基金和中国国家自然科学基金的支持。
