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大脑启动“恶心--呕吐”病理反应的神经机制

发布日期:2022-11-07  浏览次数:279

人体摄入有毒食物后,大脑会启动恶心、呕吐等一系列的防御反应。但我们对大脑是如何检测摄入毒素并协调不同的防御反应仍然知之甚少。北京生命科学研究所曹鹏研究团队于2022年11月1日在CELL发表题为:The gut-to-brain axis for toxin-induced defensive responses的文章,该研究建立了“恶心-呕吐”反应的小鼠动物模型,并确定了一组分子定义的脑肠轴,它们共同介导了毒素诱导的防御反应。

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  1. 肠毒素诱导的小鼠防御反应的实验范式

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图一:SEA诱导小鼠防御反应的实验范式

研究人员应用金黄色葡萄球菌产生的肠毒素(Staphylococcal enterotoxin A,SEA)建立了小鼠食物中毒的研究范式。他们发现,摄入肠毒素的小鼠虽然不能呕吐,但能表现出异常的“大张嘴”行为。研究人员记录小鼠的肌电活动,发现“大张嘴”伴随同步与呕吐物种呕吐时横膈肌和腹部肌肉同步激活类似的肌电活动。小鼠条件性味觉回避和大张嘴的行为模拟了人类食物中毒引起的恶心和呕吐防御反应,因此作为食物中毒研究的小鼠模型范式。

  1. Tac1+背侧迷走神经复合体(DVC)神经元对SEA诱导的防御反应至关重要

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图二:Tac1+DVC神经元在SEA诱导的干呕和CFA中起重要作用

研究人员使用单细胞RNA测序和荧光原位杂交技术提出假设Tac1+DVC神经元参与了SEA诱导的条件性味觉回避和干呕行为。并采用Tac1-IRES-Cre转基因小鼠结合化学遗传学方法证实抑制这群神经元的活性可以避免小鼠干呕和条件性味觉回避。

  1. Tac1+DVC神经元中的谷氨酸和Tac1编码的神经肽是SEA诱导的防御反应所必需的

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图三:Tac1+DVC神经元中谷氨酸和Tac1编码的神经肽参与SEA诱导的防御反应

接下来,研究人员利用Tac1-IRES-Cre转基因小鼠结合光遗传学方法对Tac1+DVC神经元进行标记,并采用膜片钳记录,证实了Tac1+DVC神经元同时释放谷氨酸和Tac1编码的神经肽,而不是GABA。利用Flp-CRE,结合转基因小鼠与病毒策略特异性敲除DVC Tac1+基因,可以阻止SEA诱导的条件性味觉回避和干呕行为。

  1. 迷走感觉神经元单突触支配Tac1+DVC神经元

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图四:单突触支配Tac1+DVC神经元的迷走感觉神经元的特征

研究人员采用伪狂犬病毒策略逆行示踪,定位单突触支配的Tac1+DVC神经元的脑肠轴环路,标记了迷走感觉神经元在胃肠道的投射,通过原位荧光杂交技术结合功能分析,研究人员发现,单突触支配Tac1+DVC神经元的迷走感觉神经元在功能上可能响应肠内分泌细胞释放的五羟色胺,从而介导SEA诱导的防御反应。

  1. Tac1+DVC神经元接受来自迷走神经的干呕相关信号诱导防御反应

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图五:迷走感觉神经元将呕吐相关信号从肠道传递到Tac1+DVC神经元以诱发干呕和CFA

采用光纤光度钙成像技术以及膈下迷走神经切断术,并将钙信号释放与小鼠的干呕行为进行匹配,研究人员发现,与呕吐相关的GCAMP信号是由迷走感觉神经元从肠道传递到Tac1+DVC神经元的。采用光遗传学的方法激活这群神经元,足以在小鼠中诱导出干呕以及条件性味觉回避的防御反应。

  1. 不同的Tac1+DVC回路协调SEA诱导的防御反应

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图六:Tac1+DVC神经元通过两条不同的环路协调干呕和CFA

研究人员采用病毒结合转基因小鼠策略定位了Tac1+DVC神经元的投射,并进行mCherry和EGFP的双重标记,发现投射rVRG和投射LPB的神经元在空间上是分离的,采用化学遗传学激活,发现激活(延髓的呼吸中枢)rVRG和(外侧臂旁核)LPB投射的Tac1+DVC神经元分别选择性地引起干呕行为和条件性味觉回避。

  1. Tac1+DVC神经元参与化疗诱导的防御反应

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图七:Tac1+DVC神经元可能参与化疗药物阿霉素诱导的防御反应

除了食物中毒外,化疗药物如顺铂和阿霉素等也会引起癌症患者强烈的恶心呕吐,化学遗传学抑制、敲除Tac1+基因或抑制肠内分泌细胞的五羟色胺合成可以显著的削弱阿霉素诱导的防御反应。这表明,Tac1+DVC神经元也可能在化疗诱导的小鼠防御反应中发挥重要作用。




总结:

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肠嗜铬细胞周围分布着表达五羟色胺3型受体基因(Htr3a+)的迷走神经感觉末梢,它通过响应五羟色胺来接收病原入侵的信号。并将这一信号由迷走神经传入脑干孤束核Tac1+的神经元。这些Tac1+ 神经元分为两群,一群激活脑桥中的厌恶中枢,产生与“恶心”相关的厌恶性情绪,诱导条件性味觉回避;另一群激活延髓的呼吸中枢,可能通过调节其中负责膈肌和腹肌同时收缩引发干呕行为。

参考文献:https://doi.org/10.1016/j.cell.2022.10.001

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