深度解讀！科學(xué)家們成功繪制出首個人類心臟神經(jīng)元的3-D圖譜！
日前，一項刊登在國際雜志iScience上題為“A Comprehensive Integrated Anatomical And Molecular Atlas Of Rat Intrinsic Cardiac Nervous System”的研究報告中，來自托馬斯杰斐遜大學(xué)等機構(gòu)的科學(xué)家們通過研究繪制出了首張人類心臟神經(jīng)元的3-D圖譜；機體心臟的正常功能是由機體的控制中心—大腦，通過一種非常復(fù)雜的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來維持的，當(dāng)這種“交流”被干擾時就會誘發(fā)心臟病，包括心臟病發(fā)作、心源性猝死和血液供應(yīng)問題等。作為一個額外的安全層，心臟有自己的“小型大腦”，稱之為心臟內(nèi)的神經(jīng)系統(tǒng)（ICN，intracardiac nervous system），其能夠監(jiān)測并糾正交流過程中的任何障礙。
圖片來源：Achanta et al.-iScience
ICN對于支持心臟健康非常重要，其甚至能在心臟病發(fā)作時保護(hù)心肌免受損傷，但目前研究人員并不清楚ICN是如何發(fā)揮這些作用的，因為研究人員并不清楚組成ICN的神經(jīng)元是如何進(jìn)行組織的，以及其在心臟中的具體位置到底在哪里，這些神經(jīng)元又是如何相互連接的以及其分子特性到底是什么。這項研究中，研究人員就通過研究以的細(xì)節(jié)回答了這些問題。
研究者James Schwaber博士表示，ICN是我們理解神經(jīng)學(xué)和心臟病學(xué)之間的一個空白，我們的目的就是通過提供ICN的解剖學(xué)架構(gòu)來填補這一空白；除此之外，大腦是唯一一個擁有如此詳細(xì)高分辨率3-D圖譜的器官，實際上研究人員所創(chuàng)建的是心臟神經(jīng)系統(tǒng)的第一個全面的路線圖，其它的研究人員可以利用其作為參考來回答一系列關(guān)于ICN中不同神經(jīng)元的功能、生理學(xué)特征和連接等多種問題。
這項研究利用了來自不同研究小組和行業(yè)伙伴的技術(shù)和專業(yè)知識，終研究者開發(fā)出了一種雙重途徑，其中一種方法主要是利用一種稱之為“刀形掃描顯微鏡”（KSEM，Knife-Edge Scanning Microscopy）的新型成像技術(shù)，其能幫助研究者構(gòu)建整個嚙齒類動物心臟的3-D模型，這是這項技術(shù)首次應(yīng)用于心臟研究的案例；第二種方法則是利用一種稱之為激光捕獲顯微切割(Laser Capture Microdissection， LCM)的技術(shù)來對單個神經(jīng)元進(jìn)行采樣和基因表達(dá)分析，同時還能繪制出其在心臟3-D結(jié)構(gòu)中的位置圖譜。
研究者表示，并不像大腦，心臟是不對稱的，所以他們必須想辦法維持所成像的心臟的一致性；這種3-D圖譜就能揭示迄今為止ICN的復(fù)雜特性，研究者發(fā)現(xiàn)，組成ICN的神經(jīng)元存在于心臟底部（頂部）一連串的集群中，即心臟的靜脈和動脈進(jìn)出的地方，也會延伸到心臟后部的左心房處，其位置更靠近某些關(guān)鍵的心臟結(jié)構(gòu)，比如竇房結(jié)等。研究者Jonathan Gorky表示，我們都知道竇房結(jié)在產(chǎn)生心率和維持節(jié)奏方面扮演著很重要的角色，一直以來我們都懷疑是否能觀察到是否在其周圍能夠看到神經(jīng)元的聚集現(xiàn)象，而觀察到ICN的功能及神經(jīng)元的精確分布與心臟解剖學(xué)結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，讓研究人員覺得非常有意思。
圖片來源：Achanta et al.-iScience
單一神經(jīng)元的基因表達(dá)分析也指出了此前未知的分子身份或表型的多樣性，如今研究者發(fā)現(xiàn)了多種不同類型的神經(jīng)調(diào)節(jié)因子和受體，這就意味著機體心臟中不僅有能夠開啟或關(guān)閉活性的神經(jīng)元，還存在能調(diào)節(jié)ICN活性的神經(jīng)元。當(dāng)研究者比較雄性和雌性大鼠的心臟時他們發(fā)現(xiàn)，在空間和基因表達(dá)上，神經(jīng)元的組織方式或許存在一定的性別差異；這或許就能幫助研究者解釋為何男性和女性在心臟病患病風(fēng)險上存在一定的差異，研究者M(jìn)oss表示，目前我們正在試圖創(chuàng)建豬心臟內(nèi)在神經(jīng)系統(tǒng)的3-D模型（因為其在解剖學(xué)上更接近人類心臟）以進(jìn)一步探索相關(guān)問題。
這項研究計劃是NIH研究項目（SPARC）的一部分，該項目旨在促進(jìn)治療設(shè)備的開發(fā)，從而調(diào)節(jié)機體神經(jīng)電活性來改善器官的功能，大約30年前，研究人員就發(fā)現(xiàn)，諸如迷走神經(jīng)等周圍神經(jīng)對諸如心臟等機體器官非常重要，刺激這些神經(jīng)組織甚至可以治療某些人類疾病；但這些研究并未告訴研究人員刺激的水平、頻率和位置到底是有益的還是有害的。研究者Vadigepalli表示，如今我們知道了神經(jīng)元和心臟結(jié)構(gòu)的關(guān)系，我們就可以問這樣的問題了，即刺激某個未知或者選擇性地刺激特定的神經(jīng)元是否會產(chǎn)生影響呢？
研究人員很高興他們所開發(fā)的流程/策略如今能被SPARC研究項目的其它研究小組所使用，目前研究者的方案使用的是日常的實驗材料和技術(shù)，其是高度可復(fù)制的，而且可以擁有其它器官系統(tǒng)，不僅能夠?qū)ι窠?jīng)元圖譜進(jìn)行繪制，還能對其它微型結(jié)構(gòu)進(jìn)行圖譜繪制。終研究人員希望能為人類心臟創(chuàng)建一種3-D圖譜（健康狀態(tài)和疾病狀態(tài)下），同時他們也為后期更為深入的研究打下了一定的基礎(chǔ)。
參考資料：
【1】Sirisha Achanta, Jonathan Gorky, Clara Leung, et al. A Comprehensive Integrated Anatomical and Molecular Atlas of Rat Intrinsic Cardiac Nervous System, iScience (2020) doi:10.1016/j.isci.2020.101140
【2】The first 3-D map of the heart's neurons
