Nat Neurosci | 首次发现！西湖大学贾洁敏团队揭示神经元调控大脑血流新路径

神经血管耦合(NVC)对脑功能至关重要，其功能障碍是许多神经病理的基础。尽管细胞类型特异性与NVC有关，但活跃的神经信息如何传递到大脑中的目标小动脉仍然知之甚少。

2024年1月2日，西湖大学贾洁敏团队在Nature Neuroscience 在线发表题为“Synaptic-like transmission between neural axons and arteriolar smooth muscle cells drives cerebral neurovascular coupling”的研究论文，该研究利用小鼠大脑皮层的双光子局点光遗传学，证明了单个谷氨酸能轴突通过神经-小动脉平滑肌细胞连接(NsMJs)之间的突触样传递来扩张其支配神经的小动脉。

突触前亲本-子代按钮在突触后树突和小动脉平滑肌细胞(aSMCs)上形成双重神经支配，aSMCs表达多种类型的神经介质受体，包括低水平的谷氨酸NMDA受体亚基1 (Grin1)。通过aSMCs特异性敲除GluN1破坏NsMJ的传递，可减少光遗传和须刺激引起的功能性充血。值得注意的是，aSMCs中GluN1亚基的缺失通过防止由缺血诱导的扩张性去极化引起的小动脉收缩期间aSMCs中的Ca2+超载来减少脑缺血后的脑萎缩。

血液供应为大脑中的神经计算提供动力。计算活动的波动会在几秒钟内产生相应的区域脑血流量变化，称为NVC。异常的NVC与大脑疾病有关，人们对NVC的理解仍在不断发展。130年前解释NVC的代谢假说已经变得越来越有争议，最近发现细胞类型特异性和神经递质介导的机制是调节CBF1的主要机制。然而，支持这种神经信使传递特异性的分子和细胞机制在很大程度上仍然未知。确定收缩性aSMCs的交付策略尤为重要，因为它们可以有力而迅速地改变脑血流。

局部突触和尖峰活动被认为通过血管活性因子的合成和扩散来驱动血管扩张。血管活性因子是指能够影响血管直径和张力的物质，例如一氧化氮(NO)、PGE2和EET1。然而，越来越多的证据表明，这个过程是有争议的。例如，血管经常对几乎不引起周围组织中神经活动的刺激做出反应；当抑制性GABA能神经元被光遗传学激活时，无论净神经活动是否减少，CBF都会持续增加。这些发现表明，向血管细胞递送神经信使的策略比以前认为的要复杂得多。

除了局部扩散策略外，血管周围神经末梢与aSMCs密切相关的证据长期以来表明，神经-血管界面之间的突触样传递也可能在调节脑血流中发挥作用。然而，这种传递机制一直是一个极具争议的话题，在教科书和文献中被低估了，主要是因为人们普遍认为星形细胞终足完全隔绝了脉管系统。因此，经典的血管有效神经递质，如血清素、乙酰胆碱、多巴胺和神经肽Y (NPY)被认为是扩散并穿过端足，然后结合到aSMCs14表达的受体上。这些神经递质是否通过突触样传递介导NVC仍有待确定。

体外重现的NsMjs（图源自Nature Neuroscience ）

大量研究表明，神经递质谷氨酸在神经活动过程中调节脑血流中起重要作用。虽然谷氨酸受体中间细胞如中间神经元、星形胶质细胞和锥体神经元已被证明通过释放NO、花生四烯酸衍生物和前列腺素来调节或部分介导NVC，但谷氨酸直接作用于aSMCs和放松小动脉的可能性尚未被考虑。最近的研究表明，在中枢神经系统内皮细胞(ECs)中表达的功能性GluN1介导NVC22。最近的小鼠和人类单细胞RNA测序(RNA-seq)研究报道，大脑aSMCs和ECs表达相当水平的Grin1 mRNA，aSMCs在脑细胞中具有第二高的Grin1 mRNA丰度，尽管仍远低于神经元。这表明aSMCs本身可能是谷氨酸感知的，谷氨酸能轴突是否属于一种血管周围神经末梢仍有待确定。

该研究通过多种尖端技术的结合，证实了半个世纪前提出的突触样传递假说。首先，利用体积相关光电子显微镜(CLEM)和RNA-seq的三维(3D)重建，克服了EM的通量问题，明确地鉴定了不同类型的NsMJ超微结构和aSMCs表达的多种神经递质受体。其次，利用免疫金电镜，证实了NMDA受体存在于小鼠、猴子和人类的aSMCs中。第三，体外和体内功能钙成像和全细胞膜片钳记录显示，这些NMDA受体是功能性的，根据谷氨酸水平产生生理和病理后果。第四，单轴突光遗传学和自然感觉输入验证了谷氨酸能轴突NsMJ (Glu-NsMJ)传递在介导NVC中至少与PGE2扩散同等重要。最后，aSMCs特异性NMDA受体扰动小鼠缺血性卒中后血管收缩减弱，预后改善。总之，该研究揭示了NsMJ传播驱动NVC，并为中风研究开辟了新的途径。

西湖大学生命科学学院特聘研究员贾洁敏为论文通讯作者，西湖大学2017级博士研究生张冬冬为本文第一作者。第二作者为博士研究生阮家宇，他负责了分子表达验证实验和小鼠交配策略制定和管理工作，为项目的稳定推进做出了不可或缺的贡献，讲席教授许田实验室彭诗宇副研究员在电生理记录方面为项目推进做出了重要贡献，四位博士研究生胡旭、李旭召、李廷波、周丽丽，两位助理研究员李金泽和朱珠，参与了部分研究工作。临床样本研究是与复旦大学附属华山医院神经外科吴劲松主任和李文生团队合作完成。该工作得到了西湖大学生命科学学院讲席教授许田，北京脑科学与类脑研究所高级研究员戈鹉平、研究员孙文智的大力支持。本项目获得了国家自然基金委、西湖实验室以及西湖教育基金会的资助；项目实施过程中得到了西湖大学显微成像平台、高性能计算中心、流式平台以及实验动物中心的大力支持。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41593-023-01515-0

转自：“iNature”微信公众号

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