2020年5月31日 訊 /生物谷BIOON/ --日前，一項刊登在國際雜誌iScience上題為「A Comprehensive Integrated Anatomical And Molecular Atlas Of Rat Intrinsic Cardiac Nervous System」的研究報告中，來自託馬斯傑斐遜大學等機構的科學家們通過研究繪製出了首張人類心臟神經元的3-D圖譜；機體心臟的正常功能是由機體的控制中心—大腦，通過一種非常複雜的神經網絡來維持的，當這種「交流」被幹擾時就會誘發心臟病，包括心臟病發作、心源性猝死和血液供應問題等。作為一個額外的安全層，心臟有自己的「小型大腦」，稱之為心臟內的神經系統（ICN，intracardiac nervous system），其能夠監測並糾正交流過程中的任何障礙。
圖片來源：Achanta et al.-iScience
ICN對於支持心臟健康非常重要，其甚至能在心臟病發作時保護心肌免受損傷，但目前研究人員並不清楚ICN是如何發揮這些作用的，因為研究人員並不清楚組成ICN的神經元是如何進行組織的，以及其在心臟中的具體位置到底在哪裡，這些神經元又是如何相互連接的以及其分子特性到底是什麼。這項研究中，研究人員就通過研究以前所未有的細節回答了這些問題。
研究者James Schwaber博士表示，ICN是我們理解神經學和心臟病學之間的一個空白，我們的目的就是通過提供ICN的解剖學架構來填補這一空白；除此之外，大腦是唯一一個擁有如此詳細高解析度3-D圖譜的器官，實際上研究人員所創建的是心臟神經系統的第一個全面的路線圖，其它的研究人員可以利用其作為參考來回答一系列關於ICN中不同神經元的功能、生理學特徵和連接等多種問題。
這項研究利用了來自不同研究小組和行業夥伴的技術和專業知識，最終研究者開發出了一種雙重途徑，其中一種方法主要是利用一種稱之為「刀形掃描顯微鏡」（KSEM，Knife-Edge Scanning Microscopy）的新型成像技術，其能幫助研究者構建整個嚙齒類動物心臟的3-D模型，這是這項技術首次應用於心臟研究的案例；第二種方法則是利用一種稱之為雷射捕獲顯微切割(Laser Capture Microdissection， LCM)的技術來對單個神經元進行採樣和基因表達分析，同時還能繪製出其在心臟3-D結構中的位置圖譜。
研究者表示，並不像大腦，心臟是不對稱的，所以他們必須想辦法維持所成像的心臟的一致性；這種3-D圖譜就能揭示迄今為止ICN的複雜特性，研究者發現，組成ICN的神經元存在於心臟底部（頂部）一連串的集群中，即心臟的靜脈和動脈進出的地方，也會延伸到心臟後部的左心房處，其位置更靠近某些關鍵的心臟結構，比如竇房結等。研究者Jonathan Gorky表示，我們都知道竇房結在產生心率和維持節奏方面扮演著很重要的角色，一直以來我們都懷疑是否能觀察到是否在其周圍能夠看到神經元的聚集現象，而觀察到ICN的功能及神經元的精確分布與心臟解剖學結構之間的關係，讓研究人員覺得非常有意思。
圖片來源：Achanta et al.-iScience
單一神經元的基因表達分析也指出了此前未知的分子身份或表型的多樣性，如今研究者發現了多種不同類型的神經調節因子和受體，這就意味著機體心臟中不僅有能夠開啟或關閉活性的神經元，還存在能調節ICN活性的神經元。當研究者比較雄性和雌性大鼠的心臟時他們發現，在空間和基因表達上，神經元的組織方式或許存在一定的性別差異；這或許就能幫助研究者解釋為何男性和女性在心臟病患病風險上存在一定的差異，研究者Moss表示，目前我們正在試圖創建豬心臟內在神經系統的3-D模型（因為其在解剖學上更接近人類心臟）以進一步探索相關問題。
這項研究計劃是NIH研究項目（SPARC）的一部分，該項目旨在促進治療設備的開發，從而調節機體神經電活性來改善器官的功能，大約30年前，研究人員就發現，諸如迷走神經等周圍神經對諸如心臟等機體器官非常重要，刺激這些神經組織甚至可以治療某些人類疾病；但這些研究並未告訴研究人員刺激的水平、頻率和位置到底是有益的還是有害的。研究者Vadigepalli表示，如今我們知道了神經元和心臟結構的關係，我們就可以問這樣的問題了，即刺激某個未知或者選擇性地刺激特定的神經元是否會產生影響呢？
研究人員很高興他們所開發的流程/策略如今能被SPARC研究項目的其它研究小組所使用，目前研究者的方案使用的是日常的實驗材料和技術，其是高度可複製的，而且可以擁有其它器官系統，不僅能夠對神經元圖譜進行繪製，還能對其它微型結構進行圖譜繪製。最終研究人員希望能為人類心臟創建一種3-D圖譜（健康狀態和疾病狀態下），同時他們也為後期更為深入的研究打下了一定的基礎。（生物谷Bioon.com）
參考資料：
【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