Результаты, опубликованные в Cell, предлагают новые способы рассмотрения клинических состояний, связанных с блуждающим нервом.Команда, возглавляемая Стивеном Либерлесом, доцентом кафедры клеточной биологии Гарвардской медицинской школы, эффективно разрушила блуждающий нерв, ключевую связь между телом и мозгом, что важно, поскольку он контролирует не только дыхание, но и частоту сердечных сокращений, поведение при кормлении и реакцию на болезнь.Используя генетические инструменты для активации этих двух типов нейронов светом, ученые обнаружили, что стимуляция одного типа нейронов заставляет мышей полностью перестать дышать, удерживая их в состоянии выдоха.
Активация второго типа нейронов заставляла мышей делать частые неглубокие вдохи, как если бы они вдыхали какой-то раздражитель в свои легкие, намекая на легочный защитный механизм.Это исследование показывает, что, поскольку блуждающий нерв не является единой структурой, его разрезание или стимуляция для лечения определенных состояний может быть не лучшим выбором. Тем не менее стимуляция блуждающего нерва широко используется в клинической практике для лечения целого ряда состояний, от эпилепсии до настроения и ожирения.
Электрическое или фармакологическое воздействие на определенные подмножества может обойти клинические побочные эффекты.«Приятно думать, что один тип нейронов может контролировать тошноту, другой — пищевое поведение, третий — частоту сердечных сокращений, третий — дыхание», — сказал Либерлес. «Чтобы мышь перестала дышать, когда было активировано около двухсот нейронов, это огромный эффект от очень небольшого количества нейронов».Распутывание блуждающего нерва
По словам Либерлеса, в начале 20 века блуждающий нерв был на переднем крае физиологических исследований из-за его важности и доступности. Но в нынешнюю эпоху об этом почти забыли. На клеточном и молекулярном уровне никто точно не знает, как блуждающий нерв обнаруживает различные физиологические стимулы, от растяжения желудка после еды до токсинов, вызывающих тошноту, до изменений артериального давления.Либерлес пришел из мира рецепторов: его лаборатория изучает, как рецепторы на сенсорных клетках и их партнерские лиганды контролируют поведение, связанное с запахом и вкусом.
Обратив внимание на раскрытие блуждающего нерва, они применили те же подходы к изучению внутренних сенсорных нейронов, которые они ранее использовали для изучения внешних сенсорных нейронов.У мышей каждый блуждающий нерв содержит около 2500 сенсорных нейронов, небольшое количество для структуры, которая иннервирует сердце, легкие, желудок и кишечник и контролирует различные функции в этих различных органах.Чтобы достичь этого драматического, «захватывающего дух» момента в эксперименте на мышах, научный сотрудник, занимающийся исследованием клеточной биологии, Руй Чанг и аспирант Дэвид Строчлик — соавторы статьи о клетках — сначала должны были объединить анатомические и генетические методы. Strochlic начал с проверки блуждающего нерва на наличие сенсорных рецепторов.
Для этого он использовал подход, разработанный Либерлесом в качестве постдокторанта в лаборатории бывшего профессора нейробиологии Линды Бак.В блуждающем нерве Strochlic оценил экспрессию рецепторов, связанных с G-белком (GPCR), известных своим участием в восприятии и отправке сообщений.
Он обнаружил некоторые рецепторы, о которых ранее сообщалось, и обнаружил другие в небольших подгруппах сенсорных нейронов блуждающего нерва.Различные GPCR обнаруживаются на разных нейронах, что позволяет ученым анализировать определенные типы клеток, которые могут управлять определенными функциями блуждающего нерва.«Мы предположили, что различные физиологические функции блуждающего нерва регулируются разными небольшими когортами этих 2500 нейронов», — сказал Строчлик. «Мы обнаружили смешанные популяции нейронов, содержащих разные рецепторы, и подумали, что они могут делать разные вещи».
ОсвещениеЧанг получил генетическую опору в этой сенсорной системе, пометив GPCR у мышей и сконструировав их для производства канального родопсина, молекулы, которая позволила ученым использовать свет для управления функцией клеток и изучения нейронов, отсортированных по различным GPCR.
Они увидели, что две субпопуляции блуждающих нейронов посылали проекции плотных волокон в легкие мышей, но по-разному. Один тип разветвлялся на канделябровые окончания на поверхности, выстилающей дыхательные пути. Другой тип оканчивается более мелкими окончаниями, расположенными дальше от основных дыхательных путей, внутри крошечных воздушных мешочков, называемых альвеолярным пространством.
Ученые также наблюдали аналогичные расходящиеся паттерны в стволе мозга.«Эти нейроны были не только молекулярно отличными на основе GPCR, но и имели очень разные анатомические проекционные паттерны», — сказал Строчлик.Когда ученые активировали все сенсорные нейроны, а не только два подтипа, они увидели сильное влияние на частоту сердечных сокращений и желудочное давление.
Но активация только нейронов, из-за которых мыши перестали дышать, не изменила сердечный ритм или желудочное давление.«Это относится к контролю дыхания», — сказал Чанг.Их результаты подтверждают идею о том, что определенные нейроны предназначены для определенных функций, которые могут иметь значение для терапии астмы, эпилепсии, сердечной дисфункции и ожирения. Но сначала нужно ответить на многие другие вопросы.
На что реагируют нейроны? Как они обнаруживают эти стимулы?«Дыхательная система — это всего лишь одна система», — сказал Либерлес. «Мы хотели бы найти нейроны, которые контролируют пищевое поведение, контролируют тошноту, контролируют частоту сердечных сокращений.
Это займет некоторое время, чтобы мы были заняты определением нейронов, а затем выяснением того, как они работают».