Nature亮点 | 常瑞/张乐合作解构迷走神经内感受系统多维度编码信息

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人体的五种感觉——视觉、听觉、味觉、嗅觉和触觉（特别推荐Neuron | 唐逸泉博士解析听觉受体如何感受机械力刺激——兼谈五种感觉受体（视听嗅味触）研究小史），奠定了我们认知外部世界的基础。经典的生物学研究已经从分子受体到神经环路层面揭示了我们如何感知光，声音，温度，化学物质和力等外界刺激 【1】 。相比较而言，我们对于生物体自身内感受系统 (Interoceptive system) 的了解却是滞后的 【2】 ，而其重要性则不言而喻。作为主要的内感受信号传输媒介，迷走神经的感觉神经元 (Vagal sensory neurons) 能够将来自各个身体系统以及器官的信号，如怦然心动时的心跳加速，大快朵颐后的胃肠蠕动，喘息未定间的呼吸急促，甚至免疫，分泌以及情绪等信息，传递给大脑，大脑则高度准确地整合这些信息并作出特异性的反应以维持身体的稳态，这一过程对生命体的生存至关重要 【3】 。然而，繁多且特异的内感受信号如何高效准确地被迷走神经元所编码却不得而知。

2022年3月16日，美国耶鲁大学医学院神经生物学系以及细胞与分子生理学系的常瑞实验室及神经内科学系的张乐实验室合作在Nature杂志在线发表了题为 A multidimensional coding architecture of the vagal interoceptive system  的文章， 首次揭示了迷走神经内感受系统多维度编码信息的架构。

每一个内感受信号可以根据其来源的内脏器官 (Visceral organ) ，发生的组织层 (Tissue layer)  以及刺激的模态 (Stimulus modality) ，这三个重要特征得以特异的区分。例如拉伸动脉壁时预示着血压升高了 【4】 ，拉伸胃壁时则预示着在吃东西 【5】 。类似地，小肠不同组织层所释放的血清素 (Serotonin) 也传递着不同的信号 【6】 。因此，迷走神经元能够如实准确地编码上述特征，是大脑精确区分不同内感受信号以及产生相应反应的基础。

为了解析迷走神经元是如何编码来自于不同内脏器官的信号，作者开发了一种新型单细胞测序技术：Projection-seq，特别运用于在单细胞水平上追踪和分析投射神经元 （Projection neuron） 。首先，使用分子克隆技术将不同碱基序列的DNA分子条形码 (Barcodes) 引入到逆行示踪的AAV腺相关病毒中。其次，作者将含有不同DNA分子条形码的AAV病毒同时注射到同一只小鼠的不同器官上，包括肺、心脏、食道、胃、十二指肠、结肠和胰腺。一周后，作者分离出迷走神经元，运用10X Genomics 平台进行单细胞测序分析 (图1) 。其结果表明，迷走神经元能够运用差异基因模块来编码不同的内脏器官，并且沿着基因轨迹 (Genetic trajectory)  的方式以从头到尾的体位顺序  (Rostral-caudal axis) 编码内脏器官信号。

接下来，作者运用Slingshot算法进行单细胞轨迹推断 【7】 ，发现单细胞图谱中存在着与“内脏器官”基因轨迹正交的另一基因轨迹。有意思的是，通过结合鉴定的差异表达基因 (Differentially expressed gene) 和AAV病毒示踪实验，作者发现这一基因轨迹能够编码迷走神经元末端所在的组织层，并且能够编码不同迷走神经元末端沿着内脏器官从表面到腔内 (Surface-lumen axis)  的相对位置关系。那么，迷走神经元能否在不同的组织层形成器官特异的末端结构呢？通过系统地比对迷走神经元在各个内脏器官的末端结构，作者发现其末端结构与组织层密切相关，而非内脏器官依赖的。进一步，通过整合Projection-seq，相关的差异表达基因和14个相应Cre重组酶品系的小鼠模型结果，作者发现，在基因层面，迷走神经元末端结构亦是与组织层密切相关。并且，代表末端结构的基因很好地贴合单细胞数据图谱中的组织层轨迹。至此，在单细胞数据图谱中，作者鉴定了两个正交的基因轨迹，分别编码内脏器官和组织层次的信息，由之形成的二维基因网络能够准确编码内感受信号的解剖学位置。

为了解析迷走神经元是如何编码刺激模态的，作者开发了一种新的技术，即迷走神经元的钙成像与荧光原位杂交技术 (vagal calcium imaging transformed fluorescence in situ hybridization, vCatFISH ) ，这样，记录成百个神经元钙成像的同时能够鉴定每一个神经元的基因表达情况 (图2) 。作者发现，整体水平上，迷走神经元能够被组织成模块化的感觉单元来编码分类化的刺激模态，而不是针对于某一器官通路而形成专门的感受机制，即其刺激模态与内脏器官并不存在依赖关系。通过整合vCatFISH和Projection-seq的数据，作者进一步发现，迷走神经元能够运用相同的机制去感受来自不同组织层位置的相似内感受信号，而这与末端结构无关。因此，作者在迷走神经元中鉴定出了第三个编码维度-刺激模态。

综上，迷走神经元能够运用不同的维度编码一个内感受信号最重要的三个特征元素，即内脏器官、组织层次和刺激模态。这样，在每一个维度上，只需要特化出相对少的组，而通过多个维度的整合，迷走神经元就可以产生大量的平行通路用以确保准确且高效的信号传输与交流。

最后，如此的多维度编码架构是怎样促进大脑中的信息整合呢？综合上述的实验结果与信息，作者将用于逆行示踪的病毒注射到特定Cre品系小鼠模型的某一器官中，从而达到“内脏器官-组织层次-刺激模态“的组合精度。通过分析11个小鼠模型的组合通路，作者发现，脑干将来自于迷走神经元的平行通路整合组织成更为复杂的发散-收敛的形式。

总体而言， 文章解决了内感受领域一个重要的问题：多样且繁多的内感受信号是如何准确且高效的传递给大脑的。作者通过高通量大规模的整合基因特征，反应模式和神经投射，揭示了一种存在于迷走感觉神经中的，能够确保有效地大规模平行呈现内感受信号的多维编码架构 (图3) 。文章所呈现的综合方法将为未来系统全面地从分子和功能层面解析内感受系统提供有效的蓝本，并且促进相关疾病治疗的创新疗法。

耶鲁大学医学院神经生物学系以及细胞与分子生理学系的助理教授常瑞和神经内科学系的助理教授张乐为本文的共同通讯作者，神经生物学系的赵前程博士后研究员为该文章的第一作者，其他作者包括博士生俞楚玥，王蕊，徐芊和Rafael Dai Pra。常瑞实验室常年招聘博士后博士生，欢迎感兴趣的同学申请加入。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-022-04515-5

制版人：十一

参考文献

1 Prescott, S. L. & Liberles, S. D. Internal senses of the vagus nerve. Neuron 110, 579-599, doi:10.1016/j.neuron.2021.12.020 (2022).

2 Chen, W. G. et al. The Emerging Science of Interoception: Sensing, Integrating, Interpreting, and Regulating Signals within the Self. Trends Neurosci 44, 3-16, doi:10.1016/j.tins.2020.10.007 (2021).

3 Paintal, A. S. Vagal sensory receptors and their reflex effects. Physiol Rev 53, 159-227, doi:10.1152/physrev.1973.53.1.159 (1973).

4 Min, S. et al. Arterial Baroreceptors Sense Blood Pressure through Decorated Aortic Claws. Cell Rep 29, 2192-2201 e2193, doi:10.1016/j.celrep.2019.10.040 (2019).

5 Hajishafiee, M., Bitarafan, V. & Feinle-Bisset, C. Gastrointestinal Sensing of Meal-Related Signals in Humans, and Dysregulations in Eating-Related Disorders. Nutrients 11, doi:10.3390/nu11061298 (2019).

6 Terry, N. & Margolis, K. G. Serotonergic Mechanisms Regulating the GI Tract: Experimental Evidence and Therapeutic Relevance. Handb Exp Pharmacol 239, 319-342, doi:10.1007/164_2016_103 (2017).

7 Street, K. et al. Slingshot: cell lineage and pseudotime inference for single-cell transcriptomics. BMC Genomics 19, 477, doi:10.1186/s12864-018-4772-0 (2018).

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