Nature neuroscience:下丘脑食欲素神经元在活动小鼠中追踪血糖的时间特征

文摘   科学   2024-07-04 12:01   江苏  

大脑血糖感知的时间维度相关探索


我们的外感觉系统往往对环境中物理刺激的绝对值和变化率同时进行编码,例如脑内某些神经元可以编码环境光的照度和和照度变化。而对于内感觉信息,大脑是否也具备类似的编码机制?相较于早年对于经典的外感觉系统编码属性的深入研究,内感觉系统的编码属性由于其检测工具的时间分辨率和灵敏度有限,有关研究开展得较晚。

在内感觉中,血糖水平是其中一个非常重要的指征,它影响着我们机体的健康稳态并调控诸多生理功能,例如代谢、免疫、睡眠等。以往,我们很难实时检测体内葡萄糖水平并同时记录和解码神经元的活动。

先前研究发现,葡萄糖能开放或关闭神经元的KATP通道,进而兴奋或抑制某些神经元。那么,这些神经元是否就能编码体内葡萄糖的绝对水平或者变化率?以及脑内还有哪些神经元能编码葡萄糖变化的时间特征?来自苏黎世联邦理工学院Denis Burdakov团队的科学家们,对此展开了相关探索。




苏黎世联邦理工学院Denis Burdakov团队在上述研究中应用DSI前沿遥测技术监测小鼠模型的血糖、体温、活动度等生理信号,结合光纤记录、代谢气体实时分析等实验研究,揭示了大脑可通过下丘脑中的食欲素神经元(HONs)感知血糖变化速度。HON主要以变化率(衍生跟踪)反应血糖峰值,并同时处理葡萄糖和运动信息。HON活性对葡萄糖引起的运动抑制很重要,揭示了大脑血糖感知的时间维度。


其科研成果原文“Orexin neurons track temporal features of blood glucose in behaving mice于2024年5月21日刊登于《Nature neuroscience》-近期影响因子得分:25,欢迎参考和借鉴:

  • https://www.nature.com/articles/s41593-024-01648-w


实验结果:
1、体内血糖浓度的变化快速影响群体HONs活性
首先,科研团队建立了一套可同步进行光纤记录、DSI血糖遥测和代谢气体实时分析的装置(图1a-b),用于监测HONs与机体内血糖的时间相关性。之前的研究表明,葡萄糖会抑制HONs动作电位,因此,团队预测HONs的活性与体内葡萄糖绝对量之间存在单调的负向线性相关(图1c-e)。但在实验中,团队发现只有在体内葡萄糖浓度升高期间,HONs被显著抑制。而当葡萄糖浓度水平高,但变化率小时,HONs活性回到基线水平。在葡萄糖浓度下降期间,HONs被激活。说明HONs活性与葡萄糖浓度的变化率(葡萄糖绝对值变化的一阶导数)呈现单调负相关(图1f-k)。








滑动查看下一张图片>>


2、HONs群体的低频波编码多种生理信息
体内血糖水平的变化会伴随产生很多其他生理变化,那么HONs是否也可以受到其他生理活动的影响?针对这个问题,作者同步记录了体温、氧气-二氧化碳交换率、能量代谢率和运动等生理信号,发现部分生理信号的反应与HONs的活性在相同时间内出现了变化(图2a-g)。作者通过这些生理属性可以预测HONs的活性:将上述记录到的多个生理信号以及各生理信号的一阶导数作为“预测因子”,建立其与HONs活性之间的函数关系(图2f-i)。从最合适的预测模型中可发现,血糖水平变化率、氧气浓度、二氧化碳浓度的倒数对HONs的活性的影响贡献最大(图2j)。
3、HONs群体中单个神经元编码葡萄糖的不同属性
通过神经元群体反应,作者发现HONs群体是编码体内葡萄糖变化率的负函数。那么在HONs群体中,单个神经元间的编码是否存在差别?为观察HON单个细胞的信息编码,作者向LH脑区植入GRIN lens内窥镜,发现其中神经元的编码存在异质性:24.1%的HONs正向编码葡萄糖的绝对量,11.3%的HONs正向编码葡萄糖的变化率,32%的HONs负向编码葡萄糖的绝对量,30.7%的HONs神经元负向编码葡萄糖的变化率,2%的HONs与葡萄糖的变化不存在相关性(图3a-e)。
4、HONs对葡萄糖诱发的运动抑制的影响
过去的研究发现,葡萄糖注射后能抑制小鼠运动,结合本研究中所发现的HONs对葡萄糖等多种信息的编码,作者提出:是否葡萄糖诱发的运动抑制是由HONs所介导的?为了回答这个问题,作者使用白喉毒素杀死HONs,观察到葡萄糖诱导的运动抑制现象消失(图4a-e);反之,作者使用光遗传学技术激活HONs,则会提高小鼠的活动量(图4f-j)。这两项实验说明HONs的激活和抑制对于葡萄糖诱发的运动抑制是充分必要的。








滑动查看下一张图片


结论:
HONs传递多种血糖时间特征,低频响应传递葡萄糖衍生物信息,单细胞层面上,HONs传递低频葡萄糖和高频运动调制信息。这种多路复用提高通信效率,优化大脑资源使用。HONs在葡萄糖引起的运动抑制中起重要作用,了解HONs的复杂性有助于理解血糖动态对健康和疾病的影响。

在上述研究中,科研团队应用到的前沿DSI实验动物血糖遥测技术,植入子型号为HD-XG,可同步、长期连续监测血糖、体温、和活动度,适用于小鼠和大鼠等实验种属。

自2014年,DSI在全球首次推出了全植入式连续血糖遥测系统,即获得了海外学术界、各大药企、以及CRO的广泛认可与青睐。可长期连续监测意识清醒、自由活动实验动物的血糖变化,可采集到完整、优质的血糖连续波动数据,避免了传统试纸检测引起的动物应激反应、伤口感染以及因间断点式采集而无法获取完整数据等不良影响,为科研工作者开创更多可能!

期待这项前沿技术,能给您的研究和实际应用,提供切实有效的解决方案和技术支撑,任何问题或反馈,欢迎您随时联系DSI亚太区团队。


2022 Continuous-Glucose-Telemetry-Reference-Summary.pdf

2022-DSI-GlucoseTelemetry-Whitepaper.pdf
2022-DSI-GlucoseTelemetry brochure.pdf
A Review of Continuous Glucose Telemetry for Preclinical Applications.pdf
DSI-24-Telemetry-Brochure-v20-Digital.pdf
PART.1
改善动物福利   

优化(Refinement):应用DSI血糖遥测技术,每周仅需2或3次采样即可,避免了多次采样操作对动物造成损伤、创口感染等风险,能大幅减少采血量与采血频次、大幅减少人工操作和干预、无需人工值守;而且更优化的技术与实验设计,能更大程度上缓解实验动物的痛苦、不安、压力和应激。


减少(Reduction):应用DSI血糖遥测技术,可多次高频实验、高效利用动物、从更少动物中收获相同或更多信息,少量样本即可达到相同统计学意义、能节省60%-90%的动物资源。


值得一提的是,不仅改善和优化了动物福利,DSI血糖遥测技术也大幅度减轻了科研工作者的劳动强度,科学家们将不再需要长时间、昼夜颠倒、熬夜值守,一方面规避了人工操作误差风险,另一方面也协助您将更多精力和时间,投入到研究中更值得关注的地方。


PART.2
数据更完整、更优质可靠 

运用DSI血糖遥测技术,可在实验动物更接近自然的状态下,长期(长达4-8周)、连续、同时采集其血糖、体温、活动度信号,能更大程度降低物理和化学束缚、皮肤创口感染等因素造成的不良影响,随着所需人工干预频次的大幅降低,动物压力和应激也能得到有效缓解,让采集到的数据更能反映真实、客观的生理状况。


DSI血糖遥测技术,能实现连续、高频次采样,从而大幅降低数据差异性,每秒连续累积数据使得任意时间段的平均值、标准差都更接近真实值;能获得更密集、更完整的血糖波动数据,能探测到血糖细微变化,任一时间点数据的前后时间段数据能起到承前启后、上下文参考作用,有助于更准确地评估实验结果。

PART.3
满足更多需求、拓展更多可能 

动物自身可作为对照,支持高频实验,满足更多实验需求(如交叉实验拉丁方等);可量化血糖变异性、刺激变化率、事件发生的时间等新型生物标志物、血糖稳态、获得平均血糖波动幅度(MAGE)、连续重叠净血糖作用(CONGA)、动态葡萄糖图谱(AGP)等关键信息,有助于血糖波动、昼夜变化等更多新型实验研究和新应用。


传统试纸测量、间断点式测量受采血量、采血频次等限制,无法获得完整数据,易错过关键信息;DSI血糖遥测技术可连续、高频次探测血糖细微变化、准确获得任一时间段或时间点数据、以及多种新参数(如到达峰值与谷值的时间、上升速率与下降速率等)、能更准确地评估血糖变化趋势与时间累积效应等相关信息,有助于建立更多新型评价模型、为您的研究拓展更多可能性。


哈佛生物集众多优质品牌于一体,持续开发、应用前沿技术、迭代升级,致力于为全球生命科学领域研究提供更可靠的产品、服务、解决方案和技术支撑。将众多子品牌的前沿技术整合应用,即可获得更全面的信息与更可靠的数据、解锁更多新研究与新应用,期待为您的研究开创和拓展更多可能!

  • https://www.harvardbioscience.com/our-global-brands/overview/


哈佛生物
哈佛生物自1901年成立以来,迄今已超百年历史,作为行业领先的高科技公司,致力于为生命科学多学科领域开创前沿技术平台、提供多种优质解决方案。
DSI(Data Sciences International)是哈佛生物旗下品牌之一,也是实验动物生理遥测技术的开创者,自1984年成立以来,一直致力于持续优化和开发前沿技术、产品迭代升级、改善动物福利、提升用户体验,为全球药物基础研究、安全药理、毒理等多学科相关动物研究提供多种更高效和优质的解决方案与技术支撑,协助科研工作者推进科学与医疗的发展。


Harvardbioscience.com


哈佛生物 DSI 

+86 21 50793177(Sales)

+86 21 50795892(TechSupport)

dsi-shanghai-office@datasci.com


哈佛生物其它子品牌

apac_sales@harvardbioscience.com

+86 21 62260239







DSI动物生理研究平台
DSI目前是HB旗下品牌之一,致力于为药物基础研究、安全药理、毒理等多学科领域提供多种解决方案与技术支撑、协助科研工作者推进科学与医疗发展,共创美好生活。
 最新文章