Science:心控制大脑？科学家揭示心跳在20毫秒内调控大脑神经元活动

神经周K

2024-02-05 23:51发布于湖北科普领域创作者

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神经振荡在哺乳动物、昆虫和软体动物的嗅觉系统中是普遍存在的。神经振荡是大脑处理信息的基础，呼吸或心跳等躯体内感受活动可调控这种神经振荡。内感受可感知身体内部信号，进而将机体状态传递给大脑，其具体机制也是当今神经科学亟待解决的关键科学问题。

最新研究支持在人类心脏周期性活动对自主和有意识感知和认知具有调节作用，部分可通过主动脉压力感受器的经典上行多突触通路介导。嗅球和其他脑区表达快速机械敏感离子通道，因此可能存在心跳引起大脑内感受的更快捷通路。

2024年2月2日德国雷根斯堡大学Veronica Egger研究团队揭示心跳通过Piezo通道介导的压力感受机制在20毫秒内调控嗅球神经元活动。
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NBP系统揭示神经元振荡活动

发生在嗅球僧帽细胞层

研究人员构建半完整嗅球-脑灌注制备系统[nose-brain preparation (NBP)]，通过蠕动泵向目标组织灌注含氧人工脑脊液，通过增加泵的频率实现灌注压力，可模拟心跳引起的大脑血管脉动变化。通过NBP系统发现在没有呼吸通路及其上行通路下嗅球僧帽细胞层 （MCL）存在自发的慢波局部场电位振荡活动。在低灌注压力或无氧脑脊液时并不诱发出慢波局部场电位振荡活动。进一步通过谐波分析发现上述神经元振荡活动波形在时间上有明显的镜像对称，不具备突触网络活动特点，表明慢波局部场电位（LFP)振荡活动很可能通过压力感受性机制产生的。
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图1：NBP系统揭示神经元振荡活动发生在嗅球僧帽细胞层

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Piezo通道介导的压力感受机制

参与嗅球振荡活动的产生

Piezo通道家族是一类机械门控阳离子通道，可在毫秒级感知触觉、痛觉、本体觉、内脏觉和心血管功能活动。Piezo通道介导的压力感受转导对压力的动态变化敏感，而对静压不敏感，可直接快速响应压力变化。以往研究表明小鼠僧帽细胞表达Piezo2通道。利用NBP系统研究人员发现瞬时受体电位TRP通道阻断剂并不影响LFP，阻断电压门控型钠通道可显著降低LFP振荡峰值速率和活性,但不影响振荡功率，相反的是，Piezo2通道阻断剂可显著降低振荡功率，不影响LFP振荡峰值速率和活性，进一步表明Piezo通道介导的压力感受机制，而不是突触传递，参与LFP的产生。
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图2、Piezo通道介导的压力感受机制参与嗅球振荡活动的产生

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心跳调控嗅球神经元活动

与心跳有关的血压脉动相关的主动脉、颈动脉窦、心脏压力感受器反馈通过不同的大脑区域通过多突触通路影响神经活动。鼻腔气流是嗅球神经元活动的主要驱动力，在吸入清洁空气后约150毫秒达到峰值。研究人员通过检测脑电活动、埋置硅电极检测小鼠腹侧嗅球神经元活性、同时监测小鼠鼻部气流，发现呼吸活动和心跳均可调控嗅球神经元活动，后者调控效应更强。心跳后20毫秒内约15%嗅球神经元放电活动显著增强,这种影响比已知的神经元活动与呼吸节律的耦合作用要弱得多，在海马和皮层同样观察到心跳调控神经元活动。
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图3：心跳调控嗅球神经元活动

总结


本文通过构建体外半完整嗅球-脑灌注制备系统发现Piezo通道介导的压力感受机制参与神经振荡活动的产生，这种快速调控机制参与心跳调控嗅球神经元活动。


【参考文献】

Jammal Salameh et al., Science 383, eadk8511 (2024)，Blood pressure pulsations modulate central neuronal activity via mechanosensitive ion channels

文章中图片均来自于原文

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