水螅（Hydra）彌散的神經網絡中一簇神經元正在表達神經肽（綠色），通過特異性抗體能看見實現這些神經肽的可視化。其中，神經元的細胞核被標記成洋紅色。圖片來源：Alexander Klimovich
來源 | 基爾大學
翻譯 | 胡舒昶
審校 | 巢栩嘉 石雲雷
各種消化道疾病如人類嚴重的腸道炎症，均與腸道自然蠕動的紊亂密切相關。目前，科學家還不清楚腸道蠕動是如何控制的，而作為「起搏器」的神經細胞又是如何與微生物一起發揮功能的。
基爾大學（Kiel University）的一個細胞和發育生物學課題組，首次以淡水水螅（Hydra）為例，證明神經系統上的神經元能直接與腸道中的細菌相互交流，在某種程度上類似於免疫系統的作用機制。在此基礎上，他們提出了這樣的假設：在演化開始時，神經系統不僅接管感覺和運動功能，而且還負責與微生物交流。由基爾大學的Thomas Bosch教授領導的研究團隊與國際合作者在《美國科學院院報》（PNAS）上，聯合發表了這一研究結果。
研究人員觀察了淡水水螅較為古老、簡單的神經網絡。這種神經網絡在功能上與脊椎動物中控制消化道運動的腸道神經系統相似。研究人員獲得兩項重要的發現：第一，他們首次成功鑑別出水螅的神經系統中負責胃腔節律性收縮的神經細胞。
淡水水螅有一個較為古老和簡單的神經系統。它由起搏器神經元組成，驅動水螅的身體有節奏地自發收縮。圖片來源：Alexander Klimovich
這一發現還得益於與墨爾本莫納什大學Mauro D'Amato教授領導的人類醫藥研究小組的密切合作。後者在一項對腸道易激症候群(Irritable Bowel Syndrome)患者樣本的高通量研究中，發現了可能導致人類腸道蠕動紊亂的基因。基於這一研究，Thomas Bosch的研究團隊檢測了水螅中這些基因活躍表達的細胞。令人驚訝的是，他們確實在水螅古老的神經系統的一小簇神經細胞中，發現了這些基因的表達。
當他們阻斷水螅中這些基因的活性時，水螅節律性地身體收縮急劇減少。Thomas Bosch教授等因此證明這些細胞確實是控制身體蠕動的起搏器細胞。由於這些基因最初是在IBS患者的樣本中發現的，Thomas Bosch教授等懷疑在動物演化早期，這些神經元是中央控制單元，能調節複雜的身體功能。
而Thomas Bosch教授等發現的第二個驚人的結果是：對水螅個體神經細胞詳細的分子遺傳分析表明，它們能利用先天免疫系統等對共生菌的密度和組成產生直接影響。眾所周知，微生物群缺失或被破壞，對腸道收縮的頻率和規律會有顯著的影響。而如今這項研究清楚地表明，這個過程受到一個較為古老的神經系統調節，而在該系統中，特定神經元和共生菌之間的雙向通信起著核心作用。
文章的第一作者、Alexander Klimovich博士解釋說：「我們的觀察表明，神經細胞能夠感知微生物，並對它們作出反應。在這一過程中，神經元利用了類似在其他動物的免疫細胞表面發現的受體。」被激活的起搏器細胞能釋放一些分子如抗菌肽，它們反過來會影響一些微生物的生存。
在隨後的研究中，Thomas Bosch教授等比較了在小鼠和線蟲的起搏器神經元中發揮作用的分子。他們發現，起搏器細胞和微生物的交流也可能發生在其它物種體內。更詳細的分析表明，小鼠腸道中的起搏器細胞也能利用一些免疫受體，以相同的方式與微生物進行交流。
Klimovich強調：「基於上述的研究，我們推測神經元和微生物之間的交流方式，在演化上是高度保守的。而這種交流方式可能在6.5億年前首先在水螅中演化出來。」
Thomas Bosch教授等這項發現為證明神經系統在最初就能與共生微生物密切交流，提供了強有力的證據。他強調說：「我們可能需要重新思考免疫系統和神經系統的演化歷程。對水螅的研究表明，即使是最古老的神經系統也能與微生物相互作用。神經細胞的演化可能是需要與微生物進行交流，而這個過程對身體十分重要。」
如果這一假設成立，它將能為由腸道活力受損引起的人類腸道疾病發展和後期治療，提供一個全新的視角。因為微生物群狀態與腸道蠕動紊亂之間的相關性也可能存在於人體中，Bosch表示：「未來我們還必須考慮神經細胞在炎症性腸道疾病的發展和治療中的作用。」而研究人員越了解神經細胞在疾病發展進程中的作用，就越能對促進健康的腸道運動的微生物群進行密切的幹預，從而治療慢性腸道疾病。
來源：環球科學