科学家解析哺乳动物体温调节神经环路机制

来自上海科技大学的研究人员发现了一个控制体温的下丘脑神经环路,这为进一步揭示温度调节机制提供了基础,也为深入理解中暑、发烧等生理病理反应提供了新的线索,为这些常见疾病的防治提供了新的药物靶点和治疗策略。

目前关于单一行为发生的神经环路机制已经有比较多的解析,而关于动物如何协同多个行为以平衡个体生存和种族繁衍的研究还很少。11月20日,《神经科学杂志》期刊在线发表了题为《Agrp神经元投射到内侧视前区并调控母性筑巢行为》的研究论文,此项研究由中国科学院神经科学研究所、脑科学与智能技术卓越创新中心、神经科学国家重点实验室许晓鸿课题组完成,在这项研究中,许晓鸿组探索了饥饿和母性行为的相互拮抗关系及其神经环路基础。

本报讯上海科技大学生命科学与技术学院沈伟课题组在解析哺乳动物体温调节的神经环路机制方面取得重要进展。相关成果日前发表于美国《国家科学院院刊》。

科学家解析哺乳动物体温调节神经环路机制,神经元代表了一类新的热调节神经元伟德betvicror官网。这一研究成果公布在《美国国家科学院院刊》杂志上,文章的通讯作者是上海科技大学沈伟博士,他早年毕业于清华大学,主要从事神经生物学、行为生物学的研究。

他们发现:1.
控制摄食行为的Agrp神经元对于控制母性行为的内侧视前区有抑制性投射;2.
光遗传学激活Agrp神经元特异性地减少母性筑巢行为,却不影响叼幼崽的行为,部分模拟饥饿对于母性行为的抑制作用;3.
光遗传学刺激Agrp神经元到内侧视前区的投射同样特异性地抑制母性筑巢行为,而刺激Agrp神经元到下丘脑外侧区的投射对母性行为没有显著性影响;4.
内侧视前区接受Agrp投射的神经元是Vgat+神经元;5.
光遗传学或者化学遗传学抑制内侧视前区Vgat+神经元同样可以抑制母性筑巢行为;6.
内侧视前区参与母性筑巢行为的神经元集群可能不同于参与叼幼崽行为的神经元。结合该课题组前期关于幼崽抑制饥饿的研究成果(Han
et al., Neuroscience,
2017)以及内侧视前区Esr1+神经元控制叼幼崽行为的研究(Wei et al., Nature
Communications
, 2018),文章提出了饥饿和母性行为相互拮抗的神经模型。

体温调节紊乱,会打乱很多人体重要的生理活动,严重时甚至危及生命。体温调节主要受下丘脑等中枢神经控制,但其具体控制机制仍然不清楚。为此,沈伟课题组利用光遗传学、钙信号记录、核糖体亲和纯化等手段,从神经环路水平,对小鼠下丘脑的作用进行了解析。

体温的稳定对于人类正常生理活动的开展十分关键。体温调节紊乱,则会打乱很多重要生理活动,严重时甚至危及生命。体温调节主要受中枢神经系统控制。尽管人们在
20
世纪就已知体温的控制中枢位于下丘脑,但由于下丘脑位于大脑深部,用传统方法很难完全解析其对体温的调节机制。

该研究首次证明饥饿和母性行为可以存在相互抑制的作用,从而协同不同行为之间的关系。

研究组发现,热会激活下丘脑视前区的亚区神经元。用光遗传学手段激活这些神经元,则会触发强烈的体温下降和活动度降低;而抑制这些神经元则会迅速升高体温,达到高烧水平。因此,vLPO神经元主要负责散热和降低体温。

为了阐明下丘脑参与体温调节的神经元与神经环路,沈伟课题组利用光遗传学、生理钙信号记录等手段,从神经环路水平对小鼠下丘脑的作用进行了系列实验,研究发现:下丘脑视前区的亚区(ventral
part of lateral preoptic
nucleus,vLPO)神经元调控热驱动的降温行为,而下丘脑的另一个亚区——下丘脑背中侧部的背侧(dorsomedial
hypothalamic nucleus,dorsal
part,DMD)的神经元负责冷刺激引起的产热机制,而且证实 DMD
神经元的活动受到 vLPO 神经元的抑制。

此项工作由许晓鸿课题组博士研究生李兴宇、韩颖和研究助理张雯共同完成,文章关于体温的测量部分由上海科技大学沈伟课题组合作完成。该工作得到国家自然科学基金(31471065,
31771169)和中科院战略性先导科技专项(XDB02030005,XDBS01010200)的资助。

而冷则激活下丘脑的另一个亚区——下丘脑背内侧核的背侧神经元。通过光遗传学等手段激活这些DMD神经元,会引起体温的升高和活动度的上升;而抑制这些神经元则会导致体温和活动度的降低。因此,DMD神经元主要控制产热。

此外,该研究还发现一个新的热敏感神经元标记物——脑源性神经营养因子(brain-derived
neurotrophic factor, BDNF),BDNF
神经元代表了一类新的热调节神经元,它的发现为进一步揭示温度调节机制提供了基础。上述结果为人们深入理解中暑、发烧等生理病理反应提供了新的线索,为这些常见疾病的防治提供了新的药物靶点和治疗策略。

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此外,负责降温的神经元会抑制DMD的产热神经元。这种抑制作用能够在恶劣的高热环境中有效降低体温。

图:饥饿与母性行为之间相互拮抗的神经模型。Agrp神经元促进摄食;内侧视前区Vgat
+/Esr1 +神经元促进叼幼崽的行为,而Vgat
+/Esr1-神经元对于母性筑巢行为更为重要。饥饿期间Agrp神经元的激活导致内侧视前区Vgat
+神经元的抑制,同时抑制母性筑巢行为但不影响叼幼崽的行为。并行的,幼崽通过平行激活mPOA
Vglut2 +神经元延迟和抑制摄食行为。3V,第三脑室; acp,前联合,arc,弓状核;
mPOA,内侧视前区。

这项研究成果发现部分解释了冷和热引起的差异化体温调节的神经环路机制,为人们深入理解中暑、发烧等生理病理反应,以及探索脂肪产热的调节机制提供了新的线索。

《中国科学报》 (2017-02-15 第4版 综合)

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