2013年美国NIH启动的“BAM”脑计划第一步要实现的目标即是完成模式生物线虫的神经回路功能与分子机制的研究。经典模式生物线虫由于具有仅302个神经元的简单神经系统却同时控制着相对复杂多样的行为表型的特点,以及其具备遗传学操作方便且身体透明成像方便等优点,使得线虫成为研究神经回路的细胞机制和分子机制的优秀模型。本文的研究包括了两方面的内容,一方面是设计实现了线虫行为自动分析系统i Be N以及线虫的神经系统活性调控和监测与行为表型关联分析的i Ca N成像系统,使得记录自由运动状态下线虫的神经活性及关联行为输出成为可能,另一方面是借助这套新颖的系统,本文首先研究发现了单个中间神经元如何对外界刺激信号进行计算处理并编码输出不同行为的分子机制和神经回路机制,其次本文还对调节线虫进食行为的神经回路进行了深入研究,研究发现了一个新的负反馈回路在调节抑制线虫进食行为的过程中的重要作用。本文建立的4D(x\y\z\t)成像系统分为两个子系统:一,线虫行为表型自动跟踪和分析系统,即i Be N系统;二,线虫多神经元钙成像及光激活与光抑制系统,即i Ca N系统。线虫行为表型自动跟踪和分析系统通过机器视觉技术对线虫进行数字化建模以后,可以实现对线虫的行为表型自动分析出200多种定量行为参数,其中包括运动速率、爬行轨迹、前进后退运动频率和速率、转弯角度以及进食速率等等多种行为特征。线虫多神经元钙成像系统通过目标跟踪算法,可以锁定自由爬行的线虫的任意单个或多个神经元的钙信号,跟踪系统使得线虫神经元信号与显微镜镜头相对静止,实现了实时监测和分析线虫的神经系统钙活性变化。线虫神经元的光激活与光抑制系统则实现了将可调控的光刺激信号与前述行为分析系统和钙成像系统相关联,使得科研人员可以通过光遗传学操作,实现更多更复杂的神经回路机制研究。本文建立的这套4D成像系统,综合运用了光学、机械结构设计、机器视觉、自动控制等多种技术,使得研究线虫的神经系统功能变得简单方便,更重要的是可以实现很多以前无法进行的实验,实现了MC、M3、ASH、AIB、RIM、NSM、咽部肌肉等多个线虫神经元和肌肉的钙信号和与之关联的行为表型的同步检测和分析。神经元对环境信号进行计算处理的机制,一直是神经生物学领域的重要问题。在线虫简单的大脑内,是如何对外界信号进行计算并输出相应的行为的机制更是知之甚少。在本文建立的4D成像系统的辅助下,本文研究发现了在中间神经元AIB上通过对神经递质谷氨酸拥有不同亲和力的GLR-1和GLR-5两种谷氨酸受体分别介导了AIB神经元释放不同的神经递质,在外界弱刺激信号和强刺激信号的分别作用下,通过AIB神经元的计算处理,分别抑制和激活下游神经元RIM实现了对不同强度信号做出不同行为反应。这一分子机制的发现,对神经元的计算机制给出了一种新的解释,同时也说明了线虫拥有一个不简单的“大脑”。进食行为是生物体最重要的基本行为之一,是生物体生存的基础。生物体在处理环境中的复杂信号和刺激时,神经系统是如何进行信号的感受、处理和反馈行为输出还不是很清楚。借助本文建立的4D成像系统,本文研究了调节线虫进食行为的神经回路,并新发现由中间神经元AIB和RIM组成的一个反馈神经回路,在抑制线虫进食行为的调节中起到了重要的作用。反馈回路的实现是通过RIM分泌释放的神经递质酪胺Tyramine反馈到AIB上的TYRA-3受体感受。AIB和RIM组成的这个反馈回路,起到了为线虫过滤来自环境中刺激信号的作用。本文同时还发现这种信号的过滤功能是通过AIB上代谢型酪胺受体TYRA-3对离子型谷氨酸受体的抑制作用实现的。