近日，美國哥倫比亞大學Zuckerman心智-大腦行為研究所、Howard Hughes醫學研究所和生物化學和分子生物物理學系Charles S.Zuker教授團隊在Nature上發表研究，描述了一個身體到大腦的神經回路，它向大腦發出新出現的炎癥反應信號。確定了對促炎和抗炎免疫介質有反應的迷走神經神經元，并表明它們向腦干中遺傳定義的神經元群體發出信號，以調節和塑造炎癥反應的過程。

1.被先天免疫激活的神經元

使用脂多糖（LPS），一種典型免疫刺激物，來引發先天免疫反應。單劑量的LPS足以引發促炎和抗炎細胞因子的顯著增加，在注射LPS后約2小時達到峰值[Fig.1a]。c-fos檢測發現LPS引起了腦干孤束尾核（cNST）的強烈激活和Postrema（AP）區域的激活[Fig.1b]。cNST是迷走神經的主要靶點，它是體-腦軸的主要導管。鈣成像同樣證明了cNST的激活，而迷走神經的雙側膈下切斷，消除了LPS引起的cNST反應[Fig.1c]。這表明cNST激活可以追蹤先天免疫反應的出現和發展。證實了迷走神經-cNST免疫軸，并證明LPS誘發的活性不是LPS直接進入cNST神經元的結果。

Figure 1  免疫反應通過迷走神經-腦軸激活大腦

2.cNST沉默改變身體免疫力，cNST激活抑制炎癥

接下來，研究人員使用活性神經元靶向重組（TRAP）系統將Cre重組酶靶向LPS激活的神經元，利用Cre依賴性iDREADD表達，從而允許化學遺傳學靶向抑制。結果發現，cNST神經元的化學遺傳學抑制導致促炎癥反應的顯著增加，并伴隨著抗炎反應的減少[Fig.2a,b]。這些結果表明，cNST作為外周免疫反應的穩態神經控制發揮作用。同樣地，化學遺傳學激活LPS-TRAPed神經元抑制促炎反應，同時顯著增加抗炎反應[Fig.2c]。沉默和激活實驗表明，調節腦干神經元的活動可以雙向調節外周炎癥。

Figure 2 消除大腦對炎癥反應的轉變

3.cNST神經元抑制炎癥 

研究人員對LPS-TRAPed神經元進行scRNA-seq，發現LPS-TRAPed神經元主要存在于3個谷氨酸能簇中（簇7、10、12）和1個GABA能簇（簇15）[Fig.3a,b]。研究人員檢測了興奮性（谷氨酸能）或抑制性（GABA能）神經元的化學遺傳學激活是否可以改變LPS誘導的反應。結果表明，興奮性而非抑制性神經元的激活有效地抑制了LPS誘導的炎癥，并且大部分是LPS-TRAPed神經元的激活。

篩選出簇7、10和12的公共表達基因，多巴胺β-羥化酶（Dbh）。腦干中表達DBH的神經元幾乎完全位于cNST中，并對LPS強烈激活[Fig.3c]。利用Dbh-cre小鼠，如預期一樣，cNST中表達DBH的神經元的激活顯著抑制了促炎細胞因子，同時大大增強了抗炎的IL-10水平[Fig.3c,d]，證明了這些cNST神經元驅免疫抑制的能力。而消融cNST中的DBH+神經元，會觀察到免疫反應的失調。

Figure 3 基因定義的cNST神經元群體調節機體免疫  

4. 迷走神經響應免疫細胞因子

鑒于外周信息是通過迷走神經體-腦軸傳遞的，作者推斷特定的迷走神經神經元可能對LPS誘導的炎癥過程中釋放的細胞因子產生反應，并告知大腦出現的免疫反應。研究人員通過體內鈣成像，以記錄節點（迷走神經）神經節中免疫誘發的神經活動，迷走神經感覺神經元的細胞體位于該神經節中，同時動物受到不同細胞因子的激發，使用單光子功能成像來記錄迷走神經對腹腔內細胞因子刺激的實時響應。結果發現，抗炎和促炎細胞因子激活兩個離散的非重疊迷走神經感覺神經元群體，每個群體占所有結節神經節神經元的小部分[Fig.4a]。重要的是，LPS并不直接激活迷走神經神經元[Fig.4b]。證實了細胞因子本身在體-腦軸中起免疫介質的作用，迷走神經起到將炎癥信息傳遞到cNST的導管作用。

Figure 4 迷走神經對抗炎和促炎細胞因子的響應

5.炎癥信號激活迷走神經 

利用結節神經節的scRNA-seq數據將興奮性DREADD靶向不同神經元群體，并評估其激活對LPS誘導的免疫反應的影響。結果表明，激活表達瞬時受體電位錨蛋白1（TRPA1）的迷走神經顯著增強抗炎反應，同時嚴重抑制促炎細胞因子的水平[Fig.5a,b]。為了進一步確定表達TRPA1的迷走神經神經元的反應特性，通過靶向表達GCaMP6s，并在動物受到抗炎或促炎細胞因子激發時對其反應進行成像。結果發現IL-10而不是促炎細胞因子激活TRPA1迷走神經神經元[Fig.5c]。這說明表達TRPA1的迷走神經神經元在體-腦軸中傳遞抗炎癥信號以增強抗炎狀態。同樣地，作者發現，迷走神經神經節中表達降鈣素相關多肽α（CALCA）的神經元對促炎刺激有選擇性反應，并且它們的化學遺傳學激活顯著改變了循環中促炎細胞因子的水平[Fig.5d,e]。

Figure 5 迷走神經控制炎癥反應

6. 恢復免疫平衡 

研究人員推斷，外源性激活體-腦抗炎調節回路可以保護動物免受失控的炎癥反應。結果發現，任何一個神經元群體的化學遺傳學激活都足以將這些動物的存活率顯著提高，小鼠中約90%在經歷了強烈的免疫激發后（致死劑量的LPS）仍然存活[Fig.6b]。此外，在DSS腸炎模型中，TRPA1迷走神經神經元的化學遺傳學激活保護動物免受所有病理條件的影響[Fig.6]。

Figure 6  迷走神經-腦軸恢復免疫平衡

7.總結

在這里，研究人員發現細胞因子本身介導迷走神經-腦的激活，并表征了關鍵的神經元元件和環路的邏輯。最出乎意料的是，這種體-腦回路不僅調節促炎，而且調節抗炎反應。事實上，作者確定了一組迷走神經神經元響應促炎反應，另一組響應抗炎信號，抗炎信號將炎癥信息從身體傳遞給cNST中的神經元。這種體-腦回路監測炎癥反應的發展，并確保促炎和抗炎狀態之間的穩態平衡。

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