Карта ствола мозга для висцеральных ощущений - Группа катушек зажигания Гуйян

Nature, том 609, страницы 320–326 (2022 г.) Процитировать эту статью

27 тысяч доступов

7 цитат

297 Альтметрика

Подробности о метриках

Исправление издателя к этой статье было опубликовано 14 октября 2022 г.

Эта статья была обновлена

Нервная система использует различные стратегии кодирования для обработки сенсорной информации. Например, обонятельная система использует большой набор рецепторов и предназначена для распознавания разнообразных запахов, тогда как зрительная система обеспечивает высокую остроту положения, формы и движения объекта1,2,3,4,5. По сравнению с внешними сенсорными системами, принципы, лежащие в основе сенсорной обработки интероцептивной нервной системой, остаются плохо определенными. Здесь мы разработали препарат для двухфотонной визуализации кальция, чтобы понять представления внутренних органов в ядре одиночного тракта (NTS), сенсорных воротах в стволе мозга, которые получают вагусные и другие сигналы от тела. Сосредоточив внимание на стимулах кишечника и верхних дыхательных путей, мы заметили, что отдельные нейроны NTS настроены на обнаружение сигналов от определенных органов и топографически организованы на основе положения тела. Более того, некоторые механосенсорные и хемосенсорные сигналы от одного и того же органа сходятся центрально. Сенсорные входы задействуют определенные домены NTS с определенными местоположениями, каждый из которых содержит гетерогенные типы клеток. Пространственные представления различных органов в NTS еще более обостряются за пределы того, что достигается только за счет сортировки блуждающих аксонов, поскольку блокада торможения ствола мозга расширяет настройку нейронов и дезорганизует висцеральные представления. Эти результаты раскрывают основные организационные особенности, используемые мозгом для обработки интероцептивной информации.

Сенсорные цепи преобразуют основные физические входные данные — фотоны света, звуковые волны, химические вещества и механические силы — в сложные представления и восприятия стимулов. Знаменательные открытия позволили понять, как нейронные цепи осуществляют эти преобразования в наших внешних сенсорных системах. Примеры включают карту, управляемую обонятельными рецепторами в обонятельной луковице1,2, кортикальный гомункулус в соматосенсорной системе6 и карты зрительной системы, которые извлекают все более сложные характеристики стимулов по мере поступления информации3,4,5. Напротив, меньше понимания того, как обрабатываются интероцептивные сигналы.

Мозг получает жизненно важную сенсорную информацию от внутренних органов тела и использует эту информацию для управления важнейшими вегетативными функциями, такими как дыхание, частота сердечных сокращений, кровяное давление и перистальтика кишечника, для обеспечения целостности дыхательных путей и для модуляции поведения при кормлении, питье и тошноте7,8, 9,10,11,12,13,14,15. Основные дыхательные, сердечно-сосудистые и пищеварительные сигналы в первую очередь передаются в мозг блуждающим нервом, который содержит десятки пространственно переплетенных типов сенсорных нейронов в сенсорных ганглиях11,12,14,15,16. Например, сенсорные нейроны в кишечнике обнаруживают химические вещества и растягиваются, чтобы сообщить о качестве и количестве съеденной пищи, подать сигналы о вознаграждении за питательные вещества, организовать системный метаболизм и способствовать ощущению сытости после еды9,10,13,15,17 . Сенсорные нейроны блуждающего нерва, иннервирующие гортань, обнаруживают сходные химические и механические сигналы и запускают защитные рефлексы, которые защищают дыхательные пути от аспирации12,18. Идентичные стимулы, воздействующие на гортань или желудочно-кишечный тракт, вызывают различные физиологические и поведенческие реакции. Это говорит о том, что расположение стимула внутри тела является ключевым признаком, который должен быть декодирован последующими нейронными цепями.

Сенсорные аксоны блуждающего нерва пересекают череп и в первую очередь нацелены на NTS, большой сенсорный центр в стволе мозга, отвечающий за интероцептивную и вкусовую информацию19,20. Центральные аксоны блуждающего нерва и других краниальных афферентов демонстрируют некоторую топографию в своих проекциях NTS, что визуализируется с помощью генетических методов или инъекции красителя, направленного на ткани7,8,9,14,15,21,22. Например, вкусовая информация обрабатывается рострально, тогда как интероцептивная информация обрабатывается каудально19. Однако отслеживание аксонных трактов блуждающего нерва не выявляет ответных свойств и входных трансформаций, которые могут происходить в нейронах NTS, которые имеют сложные дендритные ветви и потенциально контактируют с сенсорными аксонами на расстоянии20,23,24. Другие классические подходы, такие как электрофизиология in vivo и иммуногистохимия cFos, предоставили важную информацию об ответах NTS20,23,24,25,26,27. Однако из-за технических ограничений эти исследования привели к противоречивым выводам об организации нейронов NTS, которые реагируют на различные интероцептивные сигналы20,24,28. Здесь мы сосредоточимся на классических, четко определенных сенсорных сигналах из желудочно-кишечного тракта и верхних дыхательных путей, чтобы выявить основные особенности висцерального сенсорного кодирования.

99% of vagal sensory neurons7. The central terminals of vagal axons from each organ displayed some organization in the NTS, but NTS neurons responsive to stimuli from that organ could not be predicted solely by the position of the corresponding axon terminals (Extended Data Fig. 8a–g). Vagal sensory neurons in the stomach, the larynx and the intestine include various mechanoreceptors and chemoreceptors with different NTS targeting patterns, so we imaged NTS responses while simultaneously visualizing axons of genetically defined vagal sensory neuron subtypes. In particular, GLP1R and GPR65 label discrete populations of vagal sensory neurons that (1) predominantly function as gut mechanoreceptors and chemoreceptors, respectively, and (2) display spatially discrete NTS projections8. We injected Glp1r-ires-cre or Gpr65-ires-cre mice with AAV1-Cag-Flex-synaptophysin-Gfp in the stomach and AAV1-Syn-H2b-jRGECO1a in the NTS. We observed that stomach stretch-responsive neurons were closer to axonal boutons from stomach GLP1R neurons than stomach GPR65 neurons (Extended Data Fig. 8h–k). However, the positions of vagal axons and responsive NTS soma were not perfectly aligned (Extended Data Fig. 8l). These findings raise the possibility that higher-order processing and dendrite organization in the NTS also contribute to input segregation./p>

1 (multi-tuned) organ. d, The percentage of multi-tuned neurons in Fig. 1e to various stimulus pairs. e, The percentage of singly tuned neurons in each imaged mouse (circles) of Fig. 1e, mean ± sem. f, Responses (maximal ΔF/F above thresholds) of neurons that responded to any stomach stretch, and/or any stimulation in other organs. Each chart depicts responses of 300 neurons randomly selected from 3815 neurons, 21 mice (oral vs. stomach), from 18895 neurons, 73 mice (larynx vs. stomach), from 35120 neurons, 113 mice (duodenum vs. stomach), from 21653 neurons, 84 mice (jejunum vs. stomach), and from 4414 neurons, 22 mice (cecum vs. stomach). g, Responses (maximal ΔF/F above thresholds) of neurons that responded to 600 ml or 900 ml stomach stretch (300 neurons randomly selected from 27125 neurons, 103 mice). h, Representative traces depicting normalized ΔF/F over time for 13 individual neurons from Fig. 1g, scale bar: 10 s. i, Responses (maximal ΔF/F above thresholds, see methods) of 362 (left), 404 (middle), and 467 (right) responsive NTS neurons from Fig. 1g. Peak responses were from one trial (left) or were the larger response from two trials (middle, right)./p>

1 organ (multi-tuned), ****P < 0.0001, two-tailed χ2 test./p>