生物体对环境温度信号的正确响应是其生存的基础。以往的研究表明动物神经系统会采取不同的分子机制和环路机制来响应环境中的升温和降温变化。秀丽隐杆线虫以精巧的神经网络结构、超高的温度分辨率、以及对培养温度的趋化性成为研究温度刺激输入——行为输出的理想动物模型。因为实现了对热刺激升温范围和升温速率的精确控制,对动物响应热刺激的分子和环路机制研究较多,也较清楚。以往研究表明,秀丽隐杆线虫对升温刺激的响应表现出温度阈值依赖性特点。对于秀丽隐杆线虫冷感受的研究相对较少,且对于生物体响应冷刺激的方式和环路机制并不清楚。这主要是由于冷刺激控温方式的局限性,以往冷感受研究通常是以液体灌流的方式控制降温,这种降温方式不能精确的控制降温速率和降温时间;同时这种方式会在刺激过程中由于流体冲击力而造成实验误差。针对上述前沿科学问题和技术难点,本实验室开发了一套基于半导体的降温装置,通过可编程的反馈控制电路实现不同速率的线性降温模式,采用该装置开展了秀丽隐杆线虫降温刺激的研究。本研究通过工程学、遗传编码钙指示剂的钙成像、定量行为学、化学遗传以及分子生物学技术手段,研究秀丽隐杆线虫响应降温刺激的分子和环路机制。实验结果:1.线虫对降温刺激的反应呈速率依赖性特点,即降温速度越快,线虫躲避行为越明显。2.通过化学遗传的方法,表达破伤风毒素TeTx（Tetanus Antitoxin）阻断神经递质释放,表达组胺受体His Cl1（Histamine-gated Chloride Channels）抑制神经元活性,以及表达Mini SOG（Mini Singlet Oxygen Generator）烧除神经元,对介导伤害性感受的神经元ASH进行递质释放的阻断和神经元活性的抑制,结果线虫均表现出明显的倒退减少。结合在体钙成像技术,检测到ASH在快速降温过程中呈现明显的瞬钙反应,这一行为学和钙信号结果说明感觉神经元ASH介导快速降温诱导的躲避反应。3.对ASH下游的中间神经元进行筛选,发现阻断AIZ活性后,线虫对快速降温诱导的倒退比例明显减少,同时AIZ表现出明显的钙活性。这一结果说明AIZ参与了调控快速降温刺激。通过遗传操作技术对电突触突变体进行深入研究,结果表明ASH通过电突触促进AIZ钙活性。4.同样采用上述神经元操控方法对与AIZ有结构联系的二级中间神经元进行筛选,结果发现阻断RIA神经元后,线虫在快速降温刺激诱导下,倒退比例明显减少,钙成像检测RIA神经元对快速降温刺激具有明显的钙反应。并且在阻断AIZ后RIA钙活性显著降低。这些结果说明RIA是作为AIZ的下游神经元参与调节快速降温刺激。通过进一步对谷氨酸受体分子的筛选,发现RIA神经元上的GLR-3、GLR-6共同参与了AIZ-RIA之间信号通路调控。综上所述,感觉神经元ASH介导快速降温刺激诱导的躲避反应,ASH被激活后,通过电突触活化一级中间神经元AIZ,兴奋后的AIZ通过释放谷氨酸作用于二级中间神经元RIA上的GLR-3和GLR-6受体实现RIA的活化,最终通过控制运动神经元的活性实现对快速降温刺激的躲避反应。本研究结果发现了新的温度感受神经元——即伤害性感觉神经元ASH可以响应快速的降温刺激;同时阐明了新的响应降温刺激模式,即ASH神经元是响应降温速率而非传统的降温阈值。这一新的发现为理解高等动物响应降温刺激提供了理论基础。