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原始文獻(xiàn)：
Muller, P.A., Schneeberger, M., Matheis, F.et al.Microbiota modulate sympathetic neurons via a gut–brain circuit.Nature583,441–446 (2020). doi.org/10.1038/s41586-
腸腦軸（gut-brain axis）在近年來是神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域的一個熱門課題，腸道神經(jīng)系統(tǒng)和中樞神經(jīng)系統(tǒng)的緊密關(guān)聯(lián)，使得腦和胃腸系統(tǒng)能夠相互影響并導(dǎo)致生理、行為上的變化。腸道微生物（microbiota）在腦腸軸中起著重要的作用，腸道微生物的變化能夠通過腦腸軸引起宿主腸道生理乃至行為的變化，今年的Nature上就已經(jīng)刊登了好幾篇此領(lǐng)域內(nèi)的文章。本文以小鼠為實驗動物，重點探討了腸道微生物對外在腸道神經(jīng)元（extrinsic enteric-associated neurons，eEANs，胞體在腸道外的神經(jīng)元）的調(diào)控作用。
研究人員首先通過向腸道的不同區(qū)段注射CTB（霍亂毒素β亞基，一種逆行示蹤劑）來定位eEANs的胞體，然后特別分析了以下三個投射到腸道的神經(jīng)節(jié)：感覺節(jié)狀神經(jīng)節(jié)（sensory nodose ganglion，SNG），背根神經(jīng)節(jié)（dorsal root ganglia，DRG），以及交感神經(jīng)腹腔-腸系膜上神經(jīng)節(jié)（sympathetic coeliac-superior mesenteric ganglia，CG-SMG）。前兩者被認(rèn)為負(fù)責(zé)傳遞信息給中樞，而CG-SMG為交感神經(jīng)系統(tǒng)的一部分，負(fù)責(zé)調(diào)控腸道的生理活動。CTB示蹤胞體的結(jié)果顯示出了腸道與這些神經(jīng)節(jié)的一些連接特征，同時也顯示腸道的不同區(qū)段是由神經(jīng)節(jié)中不同的神經(jīng)元群體控制的（無論是傳入還是傳出）。
摘自原文Fig1，用CTB示蹤eEANs的胞體
研究人員接下來用TRAP-seq分析并比較了SPF小鼠（specific-pathogen-free，有腸道微生物）和無菌小鼠（germ-free，無腸道微生物）中，上述三個神經(jīng)節(jié)中神經(jīng)元的轉(zhuǎn)錄情況。TRAP（translating ribosomal affinity purification）通過雜交獲得特定基因上帶有RiboTag的動物，可以再通過免疫化學(xué)法純化得到特定類型細(xì)胞內(nèi)正在翻譯的mRNA，這一實驗中使用的是Snap25-RiboTag小鼠。分析結(jié)果顯示，DRG的基因表達(dá)在兩組小鼠中沒有明顯差別；無菌小鼠的SNG中，與突觸信號和神經(jīng)元活性有關(guān)的基因表達(dá)上升。更為重要的是，無菌小鼠的CG-SMG中，F(xiàn)os的表達(dá)水平顯著上升，而免疫熒光實驗也進(jìn)一步證明了Fos在無菌小鼠中的高表達(dá)。這些結(jié)果表明，腸道微生物的缺失提高了腸道交感神經(jīng)的活性。
在進(jìn)一步的實驗中研究人員發(fā)現(xiàn)，將SPF小鼠的糞便移植到無菌小鼠的腸道中可以有效地抑制腸道交感神經(jīng)的活性，向無菌小鼠中移植特定的細(xì)菌組合（而非單一種類的細(xì)菌）也能達(dá)到同樣的效果。而給SPF小鼠喂食廣譜抗生素或部分類型的抗生素也能激活腸道交感神經(jīng)。為了證明這些激活的交感神經(jīng)元的確投射到了腸道，研究人員向Fos-GFP小鼠的腸道中注射了CTB，小鼠服用廣譜抗生素后被激活的交感神經(jīng)元中，的確有一些投射到了腸道（見下圖）。交感神經(jīng)系統(tǒng)的激活會抑制胃腸系統(tǒng)的生理活性。服用廣譜抗生素或特定類型抗生素的SPF小鼠胃腸蠕動顯著減緩（transit時間增加，詳細(xì)見原文的Methods），而阻斷兒茶酚胺類神經(jīng)遞質(zhì)的釋放則可以逆轉(zhuǎn)這一效果。這些實驗結(jié)果表明一些腸道微生物可以抑制腸道交感神經(jīng)元的活性，可能以此促進(jìn)腸道蠕動。
摘自原文Fig2，服用廣譜抗生素后小鼠腸道蠕動變緩，而用Guanethidine阻斷兒茶酚胺類神經(jīng)遞質(zhì)可以逆轉(zhuǎn)這一效果；Splenda和Saline都屬于對照
從上述實驗中已經(jīng)可以看出，可能是部分種類的腸道微生物而非全部，起到了抑制交感神經(jīng)的作用。研究人員發(fā)現(xiàn)，這些特定種類的微生物能夠提高短鏈脂肪酸（SCFAs）水平。讓小鼠服用外源的短鏈脂肪酸可以抑制因為服用抗生素而被激活的交感神經(jīng)元。向小鼠的腦室中注射短鏈脂肪酸并不能起到同樣的效果，這表明短鏈脂肪酸更有可能在外周——也就是腸道系統(tǒng)中發(fā)揮作用。除了短鏈脂肪酸以外，研究人員還發(fā)現(xiàn)其他一些受到腸道微生物調(diào)節(jié)的物質(zhì)水平的變化也可以影響到交感神經(jīng)的活性，如膽酸、GLP-1（glucagon-like peptide 1）、PYY（peptide tyrosine tyrosine）。這些結(jié)果表明腸道微生物可能通過調(diào)節(jié)短鏈脂肪酸等物質(zhì)的水平，影響腸道交感神經(jīng)元的活性。
目前為止的實驗并不能證明交感神經(jīng)元可以直接感知到腸道微生物的影響，研究人員接下來開始研究腸道交感神經(jīng)元上游的神經(jīng)結(jié)構(gòu)。研究人員在Slc32a1-GFP（綠色熒光標(biāo)記表達(dá)VGAT的抑制型神經(jīng)元，即GABA能）和Slc17a6-GFP（綠色熒光標(biāo)記表達(dá)VGLUT2的興奮型神經(jīng)元，即谷氨酸能）小鼠的回腸中注射了表達(dá)mRFP的偽狂犬病毒（可以跨突觸逆行，使感染的神經(jīng)元表達(dá)紅色熒光）。對腦干的觀察顯示，與腸道交感神經(jīng)相連的抑制型神經(jīng)元主要為Gi（gigantocellular）神經(jīng)元，興奮型神經(jīng)元主要位于LPGi/RVLM（Gi旁外側(cè)核／前腹外側(cè)延髓）。研究人員利用DREADD（designer receptors exclusively activated by designer drugs，向特定的Cre小鼠中注射帶有配體門控通道的病毒，之后可以通過注射特定的配體控制某一類型神經(jīng)元的活性）方法分別激活Gi和LPGi/RVLM的神經(jīng)元，發(fā)現(xiàn)只有激活LPGi/RVLM可以顯著激活腸道交感神經(jīng)元并且減緩腸道蠕動，而Gi神經(jīng)元對腸道交感神經(jīng)無明顯影響。此外，研究人員也發(fā)現(xiàn)無菌小鼠中LPGi/RVLM神經(jīng)元的活性有顯著提高（cFos表達(dá)）。這些結(jié)果證明腦干LPGi/RVLM的谷氨酸能神經(jīng)元可以激活腸道交感神經(jīng)元。
之前的研究表明腦干的另外兩個區(qū)域NTS（孤束核）和area postrema（AP，極后區(qū)）可以整合來自迷走神經(jīng)和循環(huán)系統(tǒng)的腸道信息并投射給LPGi/RVLM。研究人員發(fā)現(xiàn)服用抗生素后，小鼠NTS和AP的cFos的確顯著上升了。開始的示蹤實驗標(biāo)記的SNG和DRG是重要的接收來自腸道信息的神經(jīng)結(jié)構(gòu)，研究人員用DREADD方法抑制SNG和DRG的神經(jīng)元能夠激活NTS和AP的神經(jīng)元以及腸道交感神經(jīng)元（CG-SMG）。進(jìn)一步的實驗還表明SNG而非DRG在調(diào)控交感神經(jīng)中起著更重要的作用，TRAP-seq分析還顯示SNG中的Nav1.5+神經(jīng)元在此過程中起著重要作用。至此，研究人員構(gòu)建出了一個腸道微生物調(diào)控腸道交感神經(jīng)活性的一個神經(jīng)環(huán)路：腸道——SNG——NTS/AP——LPGi/RVLM——CG-SMG——腸道。
摘自原文extended data Fig10，作者給出的簡單總結(jié)
本文轉(zhuǎn)載于知乎文章@Wang xy
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