Nature︱突破!加州理工学院团队揭秘脑-体轴:交感神经系统对内脏器官的特异性调控

学术   2024-11-28 00:00   上海  

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撰文 王童彤

责编︱王思珍


近年来,神经生物学领域从对脑的研究拓展到对外周神经系统的研究,大脑与机体通过上行感觉ascending or sensory神经通路下行自主descending or autonomic神经通路密切交流,以维持生命功能和稳态。机体内脏器官自发协同工作,无需意识参与,这依赖于自主神经系统(autonomic nervous system)的精准调控,其分为交感(sympathetic)和副交感(parasympathetic)两个功能相反的体系。然而,长期以来,科学家们对于交感神经系统如何精确管理各个器官的功能了解甚少。

20241127日,加州理工学院Yuki Oka课题组在国际顶级期刊《自然》Nature)杂志上发表了一项开创性研究,题为“Organ-specific Sympathetic Innervation Defines Visceral Functions”该研究通过整合单细胞转录组学、神经解剖学、生理学和遗传功能性技术,揭示了交感神经系统的神经元多样性,存在着专门针对不同内脏器官的神经元群,它们特异性地调控生理功能。这一研究成果不仅为大脑与身体的信号交流提供了新视角,还为相关疾病的靶向诊断和治疗提供了新的思路。此研究第一作者为加州理工学院五年级博士生王童彤,本科毕业于南开大学生物伯苓班,高中毕业于武汉市华师一附中。(拓展阅读:Yuki Oka课题组往期研究成果,详见“逻辑神经科学报道(点击阅读):Cell吃苦神经元!美国加州理工学院团队解码盐摄入与味觉价背后的平行神经通路


交感神经系统作为自主神经系统的重要组成部分,传统上被认为是全身一致性激活的。面对紧急情况时,交感神经系统会迅速启动战斗或逃跑Fight or Flight)反应,将身体资源优先分配给如心脏这样的关键器官。相较之下,“休息与消化Rest and Digest)平静状态下的身体调节则主要由副交感神经系统主导。然而,这项新的研究发现,交感神经系统的作用远比传统认知更复杂和精准。


我们发现交感神经系统并不是简单地同步作用于所有内脏器官,而是由不同的神经元群分工合作,每一个神经元群专注于调控特定的器官功能。研究团队指出,这种器官特异性让机体能够更加高效地适应复杂的生理需求。


本研究聚焦于腹部的腹腔-上肠系膜神经节(celiac-superior mesenteric ganglia, CG-SMG),其调控腹部大部分器官功能,是交感神经系统中最主要的神经节之一。研究团队通过单细胞转录组测序和空间转录组分析,揭示了CG-SMG中交感神经元的基因表达模式。这些神经元群体在分子水平上表现出显著的异质性,被分为至少两类主要亚群。这种神经元群的多样性对应了功能的分区性,运用转基因小鼠的遗传示踪实验显示,一类神经元投射至胃肠道,另一类则连接到分泌性器官如肝脏和胰腺。

1 CG-SMG两类神经元群分别投射到不同的内脏器官。


为了进一步验证这些神经元群体的功能,研究团队采用光遗传学和化学遗传学手段,通过精准激活特定神经元群体,观察靶器官的反应。在探索生理功能的过程中,研究团队克服了传统技术手段在体使用的困难,开发了实时测量器官功能的新工具。例如,他们设计了一种微流控装置,用于检测胆汁分泌的微小动态变化。他们发现,激活与胃肠道相连的神经元可以显著抑制胃肠道的蠕动,而激活作用于胰腺和肝脏的神经元则抑制了胆汁分泌并促进了胰高血糖素的释放。这些实验结果清晰地描绘了不同交感神经群如何各司其职地调控内脏功能,为理解机体高效分工协作的机制提供了重要启示。

2 化学遗传激活第一类投射到胰腺和肝脏的神经元群,会抑制胆汁分泌并促进胰高血糖素的释放,而激活第二类神经元则会抑制胃肠道的蠕动。

3 本研究总结示意图


文章结论与讨论,启发与展望
交感神经模块化调控的发现不仅具有理论意义,还为临床实践带来了希望。许多自主神经功能紊乱的疾病,包括高血压、胃肠道障碍和代谢综合征,都与交感神经系统的过度或异常活动密切相关。通过精准识别并调控特定的交感神经模块,未来有望开发出针对性更强、副作用更小的治疗方案。

研究人员表示,“除了外界紧急情况的压力外,诸如低血糖、消极情绪等其他内部代谢和生理压力也会激活交感神经系统。在这些脑-体通路中,交感神经如何与副交感神经一起整合来自大脑的指令以调控全身器官,仍有许多未解之谜值得探索。


原文链接:https://www.nature.com/articles/s41586-024-08269-0

第一作者王童彤
(照片提供自作者本人)



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