在分支过程的随机动力学中编码神经元形态

细胞形态对功能具有关键影响，然而复杂且可重复的形态如何从随机性的细胞动力学中产生，仍不清楚。在此，我们结合体内活体成像、定量分析、细胞骨架扰动和计算建模，研究了两类具有对比性结构的果蝇机械感觉神经元的树突形态发生。我们表明，尽管这两类神经元共享相似的局部随机分支规则，但它们表现出分化的生长动力学，而这无法通过标准的扩散性生长模型来解释。造成这种差异的原因在于，与IV类神经元不同，I类神经元在长时间尺度上表现出亚扩散性的分支动力学。基于这些发现，我们建立了一个仅含四个参数的极简模型，将分支的短期和长期行为区分开来，并成功重现了两类神经元的生长动力学和最终形态。细胞骨架扰动实验揭示了肌动蛋白与微管之间的功能分工：肌动蛋白驱动短期的探索性分支波动和树状突扩展，而微管则调节分支在长期尺度上的扩散性，并决定类别特异性的形态。综上，这些结果建立了一个简约且可推广的框架，将局部细胞骨架调控与整体神经元结构联系起来，并揭示了随机动力学如何编码可重复的细胞形态。

细胞形态对功能具有关键影响，然而，复杂且可重复的形态如何从随机性的细胞动力学中产生，仍不清楚。在此，我们结合体内活体成像、定量分析、细胞骨架扰动和计算建模，研究了两类结构特征截然不同的果蝇机械感觉神经元的树突形态发生。我们表明，尽管这两类神经元共享相似的局部随机分支规则，但其生长动力学却呈现分化，而这种差异无法用标准的扩散性生长模型加以解释。这种不一致源于I类神经元在长时间尺度上表现出亚扩散性的分支动力学，而IV类神经元则不然。基于这些发现，我们构建了一个仅含四个参数的最简模型，将分支的短期与长期行为区分开来，并成功重现了两类神经元的生长动力学及其最终形态。细胞骨架扰动实验进一步揭示了肌动蛋白与微管之间的功能分工：肌动蛋白驱动分支的短期探索性波动和树突丛扩展，而微管则调节分支的长期扩散性并决定类别特异性的形态。总之，这些结果建立了一个简约且具有普适性的框架，将局部细胞骨架调控与整体神经元结构联系起来，并揭示了随机动力学如何编码出可重复的细胞形态。

📄 原文链接：https://www.biorxiv.org/content/10.64898/2026.06.05.729577v1?rss=1

🏷️ 神经元形态发生 树突分支动力学 随机过程建模 细胞骨架调控 果蝇机械感觉神经元