【科学前沿】操纵初级运动皮层谷氨酸能神经元活动调节小鼠的心脏功能

研究背景

心脏的活动和功能是由复杂的神经网络控制的，该神经网络涉及某些高级皮层区域，包括眶额皮质、背扣带皮质、前额皮质、岛叶和皮质下脑区，如杏仁核、海马、下丘脑、终纹床核、导水管周围灰质、臂旁区和延髓腹外侧区。

心脑回路的主要组成部分包括由来自心脏的迷走传入神经和脊神经组成的感觉臂、脑干和高级脑中的心血管中枢、副交感和交感传出神经以及心脏中的局部神经网络。

初级运动皮层 (M1) 在高级认知过程中发挥作用，例如注意力、运动学习和巩固、运动抑制、躯体运动反应和运动意象。作者的前期实验使用伪狂犬病病毒（PRV）作为示踪剂确定了 M1 区域与心脏之间的联系。尽管M1神经元投射到多个大脑区域，但与心脏功能相关的回路仍不清楚。

研究方法

研究所用的实验方法包括病毒示踪技术、fMOST技术、光遗传、化学遗传技术、免疫荧光技术等。

研究结果

通过心脏注射伪狂犬病病毒追踪全脑成像

将PRV-EGFP或PRV-mRFP分别注射到左心室壁或右心室壁，通过显微荧光光学切片断层扫描 （fMOST） 重建小鼠大脑。在许多脑区检测到稳定的 EGFP/mCherry 标记，包括脑干 MnR、孤立束核 （NTS） 和双侧喙腹外侧延髓 （RVLM）、下丘脑（内侧视前区：MPOA）、室旁核 （PVN）、腹内侧下丘脑 （VMH） 和内侧前额叶。

操控M1 谷氨酸能神经元可调节正常小鼠的心脏功能和血压

实验通过光遗传学激活、化学遗传学失活和消融M1区兴奋性神经元来操控M1谷氨酸能神经元，光遗传激活M1区显著增加了心率 （HR） 和低频/高频 （LF/HF） 功率比，增加了小鼠的左心室射血分数 （LVEF）、左心室缩短分数 （LVFS），同时降低收缩末期左心室内径 （LVIDs） 。此外，M1 L5 神经元的光激活可增加收缩压 （SBP） 、舒张压 （DBP） 和平均动脉压 （MAP） 。

应用化学遗传技术失活M1谷氨酸能神经元降低了LVEF，HR ，LVFS ，LF / HF功率比，SBP ，DBP 和MAP，但增加了LVIDs，LVIDd无明显变化。

在正常小鼠中，M1到MnR通路在调节心脏功能和血压方面至关重要。

通过病毒示踪技术，作者关注到M1 - MnR通路，假设该通路是调节心脏功能和血压所必需的。为了验证这一假设，将AAV1 - CMV - Cre - GFP顺行跨神经元转运注入M1，将AAV9 - DIOChR2 - mCherry顺行跨神经元转运注入MnR 。通过在MnR上方植入光纤，特异性激活MnR神经元突触后至M1的ChR2，然后检测心脏功能。M1 - MnR神经元投射的光遗传激活增加了HR和LF / HF功率比。并获得具有代表性的超声心动图图像，我们观察到LVEF和LVFS增加，LVIDs 减少，LVIDd无差异。

操纵M1谷氨酸能神经元影响心肌梗死小鼠的心功能和血压

作者使用相同的方法，检测在病理条件下M1谷氨酸能神经元活性的调节是否影响心脏功能，结果显示，光遗传激活M1区显著增加HR和LF / HF功率比，并通过增加LVIDs 和降低LVEF和LVFS 。心肌梗死造模后，抑制M1谷氨酸能神经元显著增加LVEF和LVFS，但降低HR、LVIDd、LVIDs和LF / FH功率比。

结论

心脏功能受神经调节；然而，大脑皮层中负责调节心脏功能的脑区仍然难以捉摸。在本研究中，光遗传学激活M1谷氨酸能神经元可增加心率、射血分数和血压。相反，抑制M1谷氨酸能神经元降低心脏功能和血压以及心脏中酪氨酸羟化酶( TH )的表达。利用病毒示踪和光遗传学技术，中缝核( MnR )被确定为M1环路中影响心脏功能的关键中继脑区之一。这些发现证实了M1神经元参与了心脏功能和血压的调节。它们也有助于理解心血管调节的神经机制。

微文作者简介