Nature Neuroscience | 首次发现！西湖大学贾洁敏团队揭示神经元调控大脑血流新路径

2024-01-03

在诞生了几十亿年的地球上，生命与生命之间，冥冥之中，发生着无独有偶的连接。冬日纷纷落叶上的脉络，竟与显微镜下荧光染色的大脑平面图发生了重叠。输送养分、支撑叶片，看似无序，实则内含玄机；而大脑远比叶脉更为复杂、更为精妙，神经元、血管、胶质细胞……这些千丝万缕的结构，在一呼一吸之间，发生着什么样的连接，传递着什么样的信号？图片来源：贾洁敏实验室助理研究员李金泽2024年元旦假期后的第一天，神经科学权威期刊Nature Neuroscience刊登了西湖大学生命科学学院贾洁敏团队的最新研究成果“Synaptic-like transmission between neural axons and arteriolar smooth muscle cells drives cerebral neurovascular coupling”，他们发现了一座横架在神经元与血管之间的“新桥梁”——“类突触连接（NsMJ）”——通过它，谷氨酸能神经元可以直接作用于动脉血管平滑肌细胞，导致动脉舒张，诱发大脑功能性充血。这一发现是对现有脑血流调控机制的进一步完善和补充，也是对实现脑血流快速和精准调控的一个全新认知，为临床上有效治疗缺血性低灌注损伤提供了潜在策略。论文截图发现连接神经元与血管的新桥梁大脑的复杂精密，导致了其研究进展势必是漫长的。神经元（Neuron）,这一名词诞生于100多年前，而直到七十年前，乔治·埃米尔·帕拉德和桑福德·路易斯·帕雷等科学家利用透射电子显微镜，拍摄到了神经元的电子图像，才真正看到了神经元之间进行信息传递的特殊“连接”结构。这样的连接意味着什么？如果把神经元比作大树，那么这颗大树上有两个最重要的分枝——树突和轴突，树突接收信号，轴突发出信号，不同神经元的轴突与树突的连接，组成了“突触”——神经元之间在功能上发生联系的部位，也是信息传递的关键部位。神经元传递信息，势必需要能量供给，能量从哪里来？答案藏在长达10万英里的血管中，血液可以为大脑提供葡萄糖和氧气，同时排出代谢废物和二氧化碳。那么，神经元与血管间该如何对话？换句话说，大脑如何快速和精准地告诉血管及时为其提供能量？当大脑血供出现异常时，我们又该如何调节脑血供，来治疗这些脑血管疾病？贾洁敏团队长期从事大脑中神经与血管之间相互作用的研究，他们对此展开了长达6年的深入探究。已有研究表明，神经元可以作用于神经胶质细胞继而调节血管血流，但是这种调节过于复杂，证据也不充分，于是，他们思考，或许除了这种间接的调控方式，会不会有一种直接的调控方式？结构决定功能，基于结构探索功能。想要了解一个事物的功能，第一步就是要先“看清”它的全貌。通过大体积三维扫描电镜和光电联合技术，贾洁敏团队全面地解析了小鼠躯体感觉皮层中约480 μm长的穿支动脉血管及血管周围脑组织细胞的超微结构。他们发现，星形胶质细胞终足对穿支动脉的包裹率并不是100%，反而存在“漏洞”。这些漏洞使得脑内其他细胞的亚细胞结构（如小胶质细胞突起、神经元胞体、树突和轴突），可能可以直接与血管进行信息交流。也就是说，血管并非被终足全部包裹，神经元很有可能穿过这些裸露的部分，与血管直接“对话”。对话不可能凭空产生，势必有一个中介，或者说，载体。从样本制备、采集数据到分析数据，贾洁敏团队花了近三年的时间终于看清，血管周围神经元的轴突含有子母突触前，母突触前与神经元的树突脊形成经典的突触，同时子突触前穿过星形胶质细胞终足的漏洞，插入血管平滑肌细胞外围的基底膜，与血管平滑肌细胞形成“类突触”，他们首次将这一结构定义为NsMJ，从而传递一个新认知：神经元除了和骨骼肌之间会形成经典NMJ（神经肌肉接头）外，也会与血管平滑肌形成类突触。第一次，贾洁敏团队看清了神经元与血管之间存在一座从来没有发现过的“新桥梁”。图1：神经元与动脉血管平滑肌细胞之间形成一种“类突触（NsMJ）”。然而，眼见不一定为实，这座连接神经元与血管平滑肌细胞的新桥梁，是否真正承担了信息传递功能？还是只是一个没有任何功能的“装饰品”？接下来的验证是个艰难的过程，贾洁敏团队整整耗时3年去设计和完成各项实验。验证类突触可调节大脑血管收缩舒张实验第一步，研究血管平滑肌细胞是否具有接收神经递质信号的信号接收器。结合细胞纯化和测序、免疫组化验证以及钙成像和电生理记录等多种技术，研究团队发现，脑内血管平滑肌细胞能表达多种神经递质受体，其中就包括通透钙离子的谷氨酸神经递质的受体NMDAR（图2）。图2：功能性GluN1富集在类突触后的血管平滑肌细胞上。一般神经递质的受体仅在神经元上出现，为什么会出现在一个非神经元的血管壁细胞上呢？这是否意味着神经元分泌的神经递质可以与血管壁细胞上的受体结合，继而调节血管？研究团队猜测，谷氨酸可能是通过类突触连接直接调节血管平滑肌细胞的状态，进而引发动脉的舒张或者收缩。实验第二步，整体水平精确瞄准激活谷氨酸能轴突，激活类突触的突触前膜，验证上述的猜测。目前，化学遗传学和常规光遗传学，都无法精准激活单个神经元胞体，更别提激活比其直径小几十倍之差的神经元局部的树突和轴突。贾洁敏团队创新双光子光遗传学，开创了颅内单根轴突和树突光遗传学激活，并且同时跟踪靶向动脉的直径变化，进而研究“新桥梁”在整体水平对脑血流的调控能力。这打破了绝大多数实验室依赖已丧失血流血压的“脑片”实验体系，首次将单根轴突激活和真实的血流相结合。研究团队发现，特异性激活类突触前的谷氨酸能神经元轴突，可以诱发动脉血管舒张，直径增大近15%。随后，在动脉血管平滑肌细胞中敲除谷氨酸神经递质受体，干预“新桥梁”连接功能，动脉的舒张被显著抑制。进一步，通过经典胡须刺激实验，结合多种转基因敲除工具鼠，再次干预类突触的信息传递，神经支配的功能性充血被大部分抑制。研究团队由此推断，在整体水平，“新桥梁”类突触NsMJ，是大脑功能性充血的主要机制之一。此后，贾洁敏团队继续推进实验，完整揭示了“类突触NsMJ”影响动脉血管收缩舒张的分子机制：即突触前的谷氨酸神经元释放了谷氨酸神经递质，通过“类突触”，作用于动脉血管平滑肌细胞上它的受体，谷氨酸神经递质受体又与钾离子通道（BK）形成了复合物，又进一步诱发了钾离子通道的活化，导致了血管的舒张（图3）。图3：类突触是大脑功能性充血的重要贡献者至此，从现象、结构、功能、分子机制等多方面，贾洁敏团队证实了神经元与动脉血管平滑肌细胞之间的类突触可调节大脑血管收缩和舒张。为研究大脑缺血造成的损伤提供新的研究思路历时六年，贾洁敏团队发现了一条神经元调控大脑血流的新路径，那么，这条新路径对于脑血管性疾病，如脑卒中（一种血管源性障碍而引发脑血流异常的疾病），又有怎样的影响和调节作用呢？最后一步的实验，为这一项研究作了完美的收尾。研究团队验证：在高浓度谷氨酸灌注刺激下，血管平滑肌细胞会大量去极化，血管因此急性收缩，产生了动脉毒性，导致二次缺血；而通过特异性敲除动脉平滑肌细胞上受体NMDAR亚基GluN1，可以缓解动脉毒性和后续的脑萎缩程度，增强了小鼠的运动恢复，降低了死亡率（图4）。图4：动脉平滑肌细胞上表达的谷氨酸NMDA受体介导了兴奋性毒性对动脉的二次损伤及其神经损伤综上，通过严谨的实验和分析，贾洁敏团队揭示了大脑中神经元与动脉血管平滑肌细胞之间存在的“类突触（NsMJ）”。该研究从超微结构组成、分子富集特性、体外和体内的功能体现，以及疾病发生发展等方面，对这种类突触信息传递进行了深入探讨。这些发现为深入理解大脑的血供机制提供了新的视角，并为开发针对此类连接的脑卒中治疗策略提供了新的思路。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41593-023-01515-0本文仅用于学术分享，转载请注明出处。若有侵权，请联系微信：bioonSir 删除或修改！