深度解读！科学家们成功绘制出人类心脏神经元的3-D图谱！

2020年5月31日 讯 /生物谷BIOON/ --日前，一项刊登在国际杂志iScience上题为“A Comprehensive Integrated Anatomical And Molecular Atlas Of Rat Intrinsic Cardiac Nervous System”的研究报告中，来自托马斯杰斐逊大学等机构的科学家们通过研究绘制出了首张人类心脏神经元的3-D图谱；机体心脏的正常功能是由机体的控制中心—大脑，通过一种非常复杂的神经网络来维持的，当这种“交流”被干扰时就会诱发心脏病，包括心脏病发作、心源性猝死和血液供应问题等。作为一个额外的安全层，心脏有自己的“小型大脑”，称之为心脏内的神经系统（ICN，intracardiac nervous system），其能够监测并纠正交流过程中的任何障碍。

图片来源：Achanta et al.-iScience

ICN对于支持心脏健康非常重要，其甚至能在心脏病发作时保护心肌免受损伤，但目前研究人员并不清楚ICN是如何发挥这些作用的，因为研究人员并不清楚组成ICN的神经元是如何进行组织的，以及其在心脏中的具体位置到底在哪里，这些神经元又是如何相互连接的以及其分子特性到底是什么。这项研究中，研究人员就通过研究以前所未有的细节回答了这些问题。

研究者James Schwaber博士表示，ICN是我们理解神经学和心脏病学之间的一个空白，我们的目的就是通过提供ICN的解剖学架构来填补这一空白；除此之外，大脑是唯一一个拥有如此详细高分辨率3-D图谱的器官，实际上研究人员所创建的是心脏神经系统的第一个全面的路线图，其它的研究人员可以利用其作为参考来回答一系列关于ICN中不同神经元的功能、生理学特征和连接等多种问题。

这项研究利用了来自不同研究小组和行业伙伴的技术和专业知识，最终研究者开发出了一种双重途径，其中一种方法主要是利用一种称之为“刀形扫描显微镜”（KSEM，Knife-Edge Scanning Microscopy）的新型成像技术，其能帮助研究者构建整个啮齿类动物心脏的3-D模型，这是这项技术首次应用于心脏研究的案例；第二种方法则是利用一种称之为激光捕获显微切割(Laser Capture Microdissection， LCM)的技术来对单个神经元进行采样和基因表达分析，同时还能绘制出其在心脏3-D结构中的位置图谱。

研究者表示，并不像大脑，心脏是不对称的，所以他们必须想办法维持所成像的心脏的一致性；这种3-D图谱就能揭示迄今为止ICN的复杂特性，研究者发现，组成ICN的神经元存在于心脏底部（顶部）一连串的集群中，即心脏的静脉和动脉进出的地方，也会延伸到心脏后部的左心房处，其位置更靠近某些关键的心脏结构，比如窦房结等。研究者Jonathan Gorky表示，我们都知道窦房结在产生心率和维持节奏方面扮演着很重要的角色，一直以来我们都怀疑是否能观察到是否在其周围能够看到神经元的聚集现象，而观察到ICN的功能及神经元的精确分布与心脏解剖学结构之间的关系，让研究人员觉得非常有意思。

图片来源：Achanta et al.-iScience

单一神经元的基因表达分析也指出了此前未知的分子身份或表型的多样性，如今研究者发现了多种不同类型的神经调节因子和受体，这就意味着机体心脏中不仅有能够开启或关闭活性的神经元，还存在能调节ICN活性的神经元。当研究者比较雄性和雌性大鼠的心脏时他们发现，在空间和基因表达上，神经元的组织方式或许存在一定的性别差异；这或许就能帮助研究者解释为何男性和女性在心脏病患病风险上存在一定的差异，研究者Moss表示，目前我们正在试图创建猪心脏内在神经系统的3-D模型（因为其在解剖学上更接近人类心脏）以进一步探索相关问题。

这项研究计划是NIH研究项目（SPARC）的一部分，该项目旨在促进治疗设备的开发，从而调节机体神经电活性来改善器官的功能，大约30年前，研究人员就发现，诸如迷走神经等周围神经对诸如心脏等机体器官非常重要，刺激这些神经组织甚至可以治疗某些人类疾病；但这些研究并未告诉研究人员刺激的水平、频率和位置到底是有益的还是有害的。研究者Vadigepalli表示，如今我们知道了神经元和心脏结构的关系，我们就可以问这样的问题了，即刺激某个未知或者选择性地刺激特定的神经元是否会产生影响呢？

研究人员很高兴他们所开发的流程/策略如今能被SPARC研究项目的其它研究小组所使用，目前研究者的方案使用的是日常的实验材料和技术，其是高度可复制的，而且可以拥有其它器官系统，不仅能够对神经元图谱进行绘制，还能对其它微型结构进行图谱绘制。最终研究人员希望能为人类心脏创建一种3-D图谱（健康状态和疾病状态下），同时他们也为后期更为深入的研究打下了一定的基础。（生物谷Bioon.com）

参考资料：

【1】Sirisha Achanta, Jonathan Gorky, Clara Leung, et al. A Comprehensive Integrated Anatomical and Molecular Atlas of Rat Intrinsic Cardiac Nervous System, iScience (2020) doi:10.1016/j.isci.2020.101140

【2】The first 3-D map of the heart's neurons