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超越肠道:揭秘我们“第二大脑”的内部运作

不仅仅是直觉 - 我们的第二大脑

每个人都知道那种感觉,当感觉不对劲时,会在你的肚子深处有感觉。有些人可能称之为直觉 - 或者,迷信。好吧,事实证明,您感受到的直觉与神秘的第六感相去甚远。

胃肠道内壁深处有一个由超过 1 亿个神经元组成的复杂网络,通常称为我们的肠神经系统 (ENS)。

ENS 是我们自主神经系统中最大的组成部分,其独特之处在于它可以独立于来自中枢神经系统(大脑和脊髓)的任何神经输入(或命令)而发挥作用。 然而,ENS 的功能远不止处理我们吃的食物。 这种神经元网络已被证明可以控制局部血流,液体、离子和生物活性肽的分泌,以及调节重要的免疫和内分泌功能—因此它被称为我们的“第二大脑”也就不足为奇了。

Gut brain axis
 

在过去的十年里,人们对我们的“第二大脑”如何在生理层面发挥作用越来越感兴趣,例如,调节食物的运动和加工,以及了解肠道和大脑如何沿着肠脑轴相互交流。

内脏神经生理学实验室

澳大利亚弗林德斯大学的神经胃肠病学家 Nick Spencer 教授(博士)是一位积极参与该领域的研究人员。 Nick 的实验室 - 内脏神经生理学实验室,主要侧重于了解肠壁内的内在神经(即肠神经系统)如何导致内容物沿着肠道推进。

他们还获得了资金,以研究来自肠道的外在神经如何与脊髓和大脑交流,以及其他内脏器官(如膀胱和子宫)是否通过类似或不同的机制(通过感觉神经)与中枢神经系统交流。

Spencer Lab | Visceral Neurophysiology Laboratory

Spencer 实验室2021 (Nick Spencer - 中间)。

Nick 对我们智能肠道的兴趣源于他在莫纳什大学本科学习期间的实践课。Nick 解释说,“我很惊讶结肠中的神经系统仍然活跃,并且在很多方面都像心脏一样—能够每隔几分钟产生有节奏的收缩,这种收缩会沿着整个结肠传播,即使结肠与动物分离。这让我在 1992 年感到惊讶,今天仍然如此。”

揭示肠道的奥秘

为了更深入地研究这些问题,Spencer 实验室将光遗传学的尖端技术整合到他们的实验中,帮助揭示 ENS 的内部工作原理。

什么是光遗传学?

光遗传学是一种现代研究工具,可让神经科学家利用光来控制神经元的活动。 通过基因工程,Nick 和他的团队可以修改 ENS 中的神经元以表达光敏离子通道,这些通道在暴露于光时会触发生理反应。

Gene editing | Optogenetics

Nick 说:“主要是,我们正在使用通过光遗传学方法发出的光来增加内脏器官(如肠道)的收缩力。” 2018 年,Nick 与 Hongzhen Hu 博士一起率先演示了可以使用无线光遗传学增加清醒、自由活动的动物的肠道运输。 您可以在此处查看研究 »

在实验室测量 ENS 活动

为了测量响应光刺激的神经活动和随后的肌肉收缩,Nick 需要一个复杂的实验装置,包括定制和市售设备。 首先,他们必须从转基因动物中分离出一段结肠,并将其浸入加热的器官浴槽中以模拟生理条件。 从这里,他们可以连接不同的设备来测量各种信号,如收缩力、压力和神经活动。

Neuron firing action potential

Nick 解释说,“典型的实验通常包括使用一台 PowerLab(用于数据采集)、放大器、网络摄像头来记录肠道、膀胱或子宫壁的运动,以及一些定制电极来记录电活动。” 随后使用 LabChart 软件与组织运动的视频片段一起分析信号。

Nick 说:“LabChart 的 Video Capture (视频捕获)模块对于我们至关重要,在高度受控的条件下将肠道、膀胱或子宫中的压力和/或电活动与这些器官的运动视频同步记录和关联。
 

Nick Spencer's Experimental set up | Optogenetics

一个典型的实验设置范例: Nick 和他的团队将实时视频记录(使用 LabChart 的 视频捕获模块 ),  与局部腔内张力记录和细胞外平滑肌电记录相结合,生成肠道扩张的时空图。

相关: 了解视频捕获模块如何对您的研究有用 »

用光治疗慢性内脏痛

光遗传学的临床应用远不止增加肠道运动。Nick解释说,“我们还使用光遗传学工具使将疼痛信号从内脏器官传递到脊髓的感觉神经元沉默。这种方法开辟了重大的新机会,潜在的,人们可以利用光而不是药物来改善器官功能,如肠道,帮助在某些病理条件下恢复功能。

这项技术的另一个主要好处是光的光遗传学传递是即时的,不像口服药物那样需要几分钟到几小时才能作用于器官。

能选择性地开关光到神经上并将它们“打开”或“关闭”,对社区具有重大的有益影响,因为很少有药物专门作用于一个器官。
Nick 说“光遗传学的使用可以通过光来改善肠道与大脑的交流,而不必摄入通常具有多种脱靶效应的非特异性药物。这可以大大减少副作用,意味着不需要进一步的药物。”

没有肠道(勇气),就没有荣耀!

除了使用光遗传学改善肠道运动的开创性工作外,他还因开发成像方法而获得认可,该方法允许他们同时可视化和记录肠道神经系统中数百个神经元,并将这些神经元放电模式与平滑肌细胞的活动相关联。这项主要研究发表在《神经科学杂志》上,可在此处找到

Spencer 小组还因其在开发一种新的神经元追踪技术方面的工作而闻名,该技术用于识别构成内脏(如膀胱、子宫和肠道)疼痛感知基础的感觉神经末梢。可以在此处找到有关该研究的更多信息。


有兴趣了解更多关于Nick的研究吗?

如果您有兴趣了解有关 Nick 及其研究的更多信息,请观看我们的网络研讨会,标题为'Spatio-temporal imaging – in real-time!'  立即观看 >>

在本次网络研讨会中,Nick 演示了如何沿着离体的肠管进行实时时空映射,并结合多点电生理记录。 这种新方法允许人们将器官的电活动与管腔内压力和运动相关联,并提供对大部分中空器官的电和机械活动传播机制的有力见解。


Nick Spencer | Neurogastroenterologist

Nick Spencer 是南澳大利亚弗林德斯大学医学与公共卫生学院的教授。 他的研究主要集中在调节胃肠道的神经控制机制上。2016年,Nick 当选澳大利亚神经胃肠病学和动力协会 (ANGMA) 主席。


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17 Feb 2021

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