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原始文獻(xiàn)：
Muller, P.A., Schneeberger, M., Matheis, F.et al.Microbiota modulate sympathetic neurons via a gut–brain circuit.Nature583,441–446 (2020). doi.org/10.1038/s41586-
腸腦軸（gut-brain axis）在近年來(lái)是神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)熱門課題，腸道神經(jīng)系統(tǒng)和中樞神經(jīng)系統(tǒng)的緊密關(guān)聯(lián)，使得腦和胃腸系統(tǒng)能夠相互影響并導(dǎo)致生理、行為上的變化。腸道微生物（microbiota）在腦腸軸中起著重要的作用，腸道微生物的變化能夠通過(guò)腦腸軸引起宿主腸道生理乃至行為的變化，今年的Nature上就已經(jīng)刊登了好幾篇此領(lǐng)域內(nèi)的文章。本文以小鼠為實(shí)驗(yàn)動(dòng)物，重點(diǎn)探討了腸道微生物對(duì)外在腸道神經(jīng)元（extrinsic enteric-associated neurons，eEANs，胞體在腸道外的神經(jīng)元）的調(diào)控作用。
研究人員首先通過(guò)向腸道的不同區(qū)段注射CTB（霍亂毒素β亞基，一種逆行示蹤劑）來(lái)定位eEANs的胞體，然后特別分析了以下三個(gè)投射到腸道的神經(jīng)節(jié)：感覺節(jié)狀神經(jīng)節(jié)（sensory nodose ganglion，SNG），背根神經(jīng)節(jié)（dorsal root ganglia，DRG），以及交感神經(jīng)腹腔-腸系膜上神經(jīng)節(jié)（sympathetic coeliac-superior mesenteric ganglia，CG-SMG）。前兩者被認(rèn)為負(fù)責(zé)傳遞信息給中樞，而CG-SMG為交感神經(jīng)系統(tǒng)的一部分，負(fù)責(zé)調(diào)控腸道的生理活動(dòng)。CTB示蹤胞體的結(jié)果顯示出了腸道與這些神經(jīng)節(jié)的一些連接特征，同時(shí)也顯示腸道的不同區(qū)段是由神經(jīng)節(jié)中不同的神經(jīng)元群體控制的（無(wú)論是傳入還是傳出）。
摘自原文Fig1，用CTB示蹤eEANs的胞體
研究人員接下來(lái)用TRAP-seq分析并比較了SPF小鼠（specific-pathogen-free，有腸道微生物）和無(wú)菌小鼠（germ-free，無(wú)腸道微生物）中，上述三個(gè)神經(jīng)節(jié)中神經(jīng)元的轉(zhuǎn)錄情況。TRAP（translating ribosomal affinity purification）通過(guò)雜交獲得特定基因上帶有RiboTag的動(dòng)物，可以再通過(guò)免疫化學(xué)法純化得到特定類型細(xì)胞內(nèi)正在翻譯的mRNA，這一實(shí)驗(yàn)中使用的是Snap25-RiboTag小鼠。分析結(jié)果顯示，DRG的基因表達(dá)在兩組小鼠中沒有明顯差別；無(wú)菌小鼠的SNG中，與突觸信號(hào)和神經(jīng)元活性有關(guān)的基因表達(dá)上升。更為重要的是，無(wú)菌小鼠的CG-SMG中，F(xiàn)os的表達(dá)水平顯著上升，而免疫熒光實(shí)驗(yàn)也進(jìn)一步證明了Fos在無(wú)菌小鼠中的高表達(dá)。這些結(jié)果表明，腸道微生物的缺失提高了腸道交感神經(jīng)的活性。
在進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)中研究人員發(fā)現(xiàn)，將SPF小鼠的糞便移植到無(wú)菌小鼠的腸道中可以有效地抑制腸道交感神經(jīng)的活性，向無(wú)菌小鼠中移植特定的細(xì)菌組合（而非單一種類的細(xì)菌）也能達(dá)到同樣的效果。而給SPF小鼠喂食廣譜抗生素或部分類型的抗生素也能激活腸道交感神經(jīng)。為了證明這些激活的交感神經(jīng)元的確投射到了腸道，研究人員向Fos-GFP小鼠的腸道中注射了CTB，小鼠服用廣譜抗生素后被激活的交感神經(jīng)元中，的確有一些投射到了腸道（見下圖）。交感神經(jīng)系統(tǒng)的激活會(huì)抑制胃腸系統(tǒng)的生理活性。服用廣譜抗生素或特定類型抗生素的SPF小鼠胃腸蠕動(dòng)顯著減緩（transit時(shí)間增加，詳細(xì)見原文的Methods），而阻斷兒茶酚胺類神經(jīng)遞質(zhì)的釋放則可以逆轉(zhuǎn)這一效果。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明一些腸道微生物可以抑制腸道交感神經(jīng)元的活性，可能以此促進(jìn)腸道蠕動(dòng)。
摘自原文Fig2，服用廣譜抗生素后小鼠腸道蠕動(dòng)變緩，而用Guanethidine阻斷兒茶酚胺類神經(jīng)遞質(zhì)可以逆轉(zhuǎn)這一效果；Splenda和Saline都屬于對(duì)照
從上述實(shí)驗(yàn)中已經(jīng)可以看出，可能是部分種類的腸道微生物而非全部，起到了抑制交感神經(jīng)的作用。研究人員發(fā)現(xiàn)，這些特定種類的微生物能夠提高短鏈脂肪酸（SCFAs）水平。讓小鼠服用外源的短鏈脂肪酸可以抑制因?yàn)榉每股囟患せ畹慕桓猩窠?jīng)元。向小鼠的腦室中注射短鏈脂肪酸并不能起到同樣的效果，這表明短鏈脂肪酸更有可能在外周——也就是腸道系統(tǒng)中發(fā)揮作用。除了短鏈脂肪酸以外，研究人員還發(fā)現(xiàn)其他一些受到腸道微生物調(diào)節(jié)的物質(zhì)水平的變化也可以影響到交感神經(jīng)的活性，如膽酸、GLP-1（glucagon-like peptide 1）、PYY（peptide tyrosine tyrosine）。這些結(jié)果表明腸道微生物可能通過(guò)調(diào)節(jié)短鏈脂肪酸等物質(zhì)的水平，影響腸道交感神經(jīng)元的活性。
目前為止的實(shí)驗(yàn)并不能證明交感神經(jīng)元可以直接感知到腸道微生物的影響，研究人員接下來(lái)開始研究腸道交感神經(jīng)元上游的神經(jīng)結(jié)構(gòu)。研究人員在Slc32a1-GFP（綠色熒光標(biāo)記表達(dá)VGAT的抑制型神經(jīng)元，即GABA能）和Slc17a6-GFP（綠色熒光標(biāo)記表達(dá)VGLUT2的興奮型神經(jīng)元，即谷氨酸能）小鼠的回腸中注射了表達(dá)mRFP的偽狂犬病毒（可以跨突觸逆行，使感染的神經(jīng)元表達(dá)紅色熒光）。對(duì)腦干的觀察顯示，與腸道交感神經(jīng)相連的抑制型神經(jīng)元主要為Gi（gigantocellular）神經(jīng)元，興奮型神經(jīng)元主要位于LPGi/RVLM（Gi旁外側(cè)核／前腹外側(cè)延髓）。研究人員利用DREADD（designer receptors exclusively activated by designer drugs，向特定的Cre小鼠中注射帶有配體門控通道的病毒，之后可以通過(guò)注射特定的配體控制某一類型神經(jīng)元的活性）方法分別激活Gi和LPGi/RVLM的神經(jīng)元，發(fā)現(xiàn)只有激活LPGi/RVLM可以顯著激活腸道交感神經(jīng)元并且減緩腸道蠕動(dòng)，而Gi神經(jīng)元對(duì)腸道交感神經(jīng)無(wú)明顯影響。此外，研究人員也發(fā)現(xiàn)無(wú)菌小鼠中LPGi/RVLM神經(jīng)元的活性有顯著提高（cFos表達(dá)）。這些結(jié)果證明腦干LPGi/RVLM的谷氨酸能神經(jīng)元可以激活腸道交感神經(jīng)元。
之前的研究表明腦干的另外兩個(gè)區(qū)域NTS（孤束核）和area postrema（AP，極后區(qū)）可以整合來(lái)自迷走神經(jīng)和循環(huán)系統(tǒng)的腸道信息并投射給LPGi/RVLM。研究人員發(fā)現(xiàn)服用抗生素后，小鼠NTS和AP的cFos的確顯著上升了。開始的示蹤實(shí)驗(yàn)標(biāo)記的SNG和DRG是重要的接收來(lái)自腸道信息的神經(jīng)結(jié)構(gòu)，研究人員用DREADD方法抑制SNG和DRG的神經(jīng)元能夠激活NTS和AP的神經(jīng)元以及腸道交感神經(jīng)元（CG-SMG）。進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)還表明SNG而非DRG在調(diào)控交感神經(jīng)中起著更重要的作用，TRAP-seq分析還顯示SNG中的Nav1.5+神經(jīng)元在此過(guò)程中起著重要作用。至此，研究人員構(gòu)建出了一個(gè)腸道微生物調(diào)控腸道交感神經(jīng)活性的一個(gè)神經(jīng)環(huán)路：腸道——SNG——NTS/AP——LPGi/RVLM——CG-SMG——腸道。
摘自原文extended data Fig10，作者給出的簡(jiǎn)單總結(jié)
本文轉(zhuǎn)載于知乎文章@Wang xy
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