Nat Commun:为什么运动后气喘吁吁?科学家揭示跑步时呼吸急促的两条神经环路

2023-05-28 周科 “神经周K”公众号 发表于陕西省

pF脑区的斜方体后核( RTN)是中枢呼吸核团中关键的二氧化碳(CO2)化学感受器,监测体内CO2/H+变化调节呼吸的深度和速度,主要表达转录因子 Phox2b 和 Atoh1。

运动后呼吸频率加快是满足机体能量代谢的需要。在哺乳动物中,呼吸节律是由延髓腹内侧的前包钦格复合体(preB?tC)和面神经核旁呼吸组(pF)神经元驱动的。pF脑区的斜方体后核( RTN)是中枢呼吸核团中关键的二氧化碳(CO2)化学感受器,监测体内CO2/H+变化调节呼吸的深度和速度,主要表达转录因子 Phox2b 和 Atoh1。

中脑运动区(MLR)是位于大脑中脑的一个区域,主要调控运动,与preB?tC存在投射联系。MLR可分为两个亚区:谷氨酸能(Glut+)神经元的楔形核(CnF)和同时含有Glut+和胆碱能神经元的桥脚核(PPN)。有意思的是,MLR也参与上调呼吸活动。

2023年5月22日 法国国家科学研究中心Julien Bouvier研究团队在Nature Communications杂志上发表文章揭示了运动后呼吸加快的神经环路机制。

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CnF-preB?tC兴奋性环路调节呼吸与运动的协同作用

研究人员在Vglut2-Cre工具小鼠CnF脑区注射顺行示踪病毒,preBtC区域存在较多的投射纤维,在pF区域的投射纤维很稀疏。逆行示踪实验也进一步证实了上述结果。在光激活CnF-preBtC兴奋性环路后可促进吸气爆发,并能缩短呼吸周期。

通过进一步的实验发现15HZ激活CnF-preBtC环路可显着促进小鼠向前运动,但不影响理毛等其他行为,与此同时小鼠呼吸速率也增加,这就表明该环路调节呼吸与运动的协同作用。

图1:病毒示踪实验揭示CnF-preBtc兴奋性环路

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脊髓-pF环路通过Phox2b/Atoh1神经元调控运动和呼吸活动

研究人员进一步通过病毒示踪实验发现腰椎脊髓(L2)区域兴奋性神经元投射到pF区域,在preBtC区域几乎没有观察到绿色投射纤维。体外新生儿脑干-脊髓培养实验发现NDMA 和 5-HT可促进运动样的同时增加呼吸样活动,在截断脊髓或者截断pF或抑制RTN脑区Phox2b/Atoh1神经元活性后可阻断呼吸频率的增加,这就表明脊髓-pF环路通过RTN脑区Phox2b/Atoh1神经元调控运动和呼吸活动。

图2.脊髓-pF环路通过Phox2b/Atoh1神经元调控运动和呼吸活动

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RTN-Phox2b/Atoh1→preBtC环路调控呼吸

为进一步证实RTN脑区Phox2b/Atoh1神经元调控运动中的呼吸活动,在休息状态下化学抑制该类型神经元后并不影响呼吸活动,但在运动过程中抑制该神经元后可明显减弱小鼠呼吸频率。

病毒示踪实验发现RTN脑区Phox2b/Atoh1神经元主要投射到preBtC区域,光激活该环路后也可引起异位吸气爆发,并缩短呼吸周期,这种上调呼吸节律的作用比激活CnF兴奋性神经元出现的更早一些,这就表明RTN脑区Phox2b/Atoh1神经元可通过preB?tC呼吸中枢上调呼吸节律。

图3:抑制RTN脑区Phox2b/Atoh1神经元减弱运动引起呼吸节律增加

总结

本文揭示了运动后呼吸活动增强的两条神经环路,其中一条为CnF兴奋性神经元投射到呼吸中枢preB?tC的直接通路,另外一条是脊髓兴奋性神经元投射到pF,并进一步通过RTN-Phox2b/Atoh1神经元投射到preBtC的间接通路。

原始出处:

Hérent, C., Diem, S., Usseglio, G. et al. Upregulation of breathing rate during running exercise by central locomotor circuits in mice. Nat Commun 14, 2939 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-38583-6.

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    有意思,学习了

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    该环路调节呼吸与运动的协同作用。

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    不错,学习了。

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    动后呼吸频率加快是满足机体能

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