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中国科学院深圳先进技术研究院脑认知与脑疾病研究所在中枢神经与外周互作调控领域取得系列成果

中枢神经系统和外周器官之间的相互调控是生物体内一个复杂而精密的协调机制。中枢神经系统包括大脑和脊髓,负责接收、处理和传递信息;而外周器官包括各种身体组织和器官,执行机体特定功能。这两个系统可以通过神经电活动,化学分子和多肽激素等信号进行沟通与相互调节。一方面,中枢神经系统可以感知外周器官信息经过处理后,中枢再通过外周神经将指令传送至肌肉或腺体,执行相应动作或分泌活动。另一方面,外周器官可以通过外周感觉神经反馈信息给中枢神经系统,协调器官功能以维持机体稳态,如心血管系统,消化系统可以通过自主神经系统调节中枢神经功能。此外,体内激素如肾上腺素、胰岛素等也参与中枢神经系统和外周器官功能的调控。这种中枢外周相互调控的协调作用在生理和病理条件下都扮演着关键角色。失衡可能导致神经系统疾病、代谢紊乱等疾病的发生。深入解析中枢与外周系统相互调控的机理不仅有助于理解机体内部调节机制,还为治疗相关疾病提供了新的思路和方法。


中国科学院深圳先进技术研究院脑认知与脑疾病研究所(简称“脑所”)成立至今,已汇聚包括加拿大皇家科学院院士、德国科学院院士、诺贝尔生理学或医学奖获得者、国家杰青、长江、国家重点引进人才工程专家及“四青”人才等骨干等在内的超600人规模的多学科交叉脑科学科研团队。各团队优势互补、通力合作,主要聚焦于四个研究方向:

1. 开发多物种疾病动物模型,发展前沿、交叉神经技术和工具;

2. 基于机体系统观和整体论,解析中枢与外周器官相互作用机制;

3. 理解重大脑疾病发病机理,研发脑疾病早诊优治的策略技术;

4. 解析智能的生物学的起源,促进认知智能与人工智能的融合。


本篇将汇集近年来脑所在解析中枢外周器官相互作用机制研究方面取得系列成果(按发表时间倒序排列)。


1. Multi-region calcium imaging in freely behaving mice with ultra-compact head-mounted fluorescence microscopes


2024年1月,毕国强和深圳理工大学(筹)周鹏程团队合作报道了一种新的超紧凑头戴式荧光显微镜。通过系统优化光学、电子学和机械学设计,联合团队开发了目前世界上最轻的(0.43克)超紧凑头戴式荧光显微镜——TINIscope,并在自由活动小鼠上实现对四个海马亚区神经元钙活动的同步成像。TINIscope为神经科学家提供了一种新的重要研究手段,用于探索动物在感知、认知和行为等方面的神经元级别的跨脑区协调作用。相关成果发表于国际知名期刊 National Science Review

原文链接:

https://academic.oup.com/nsr/article/doi/10.1093/nsr/nwad294/7438875


2. Gut microbiota-driven metabolic alterations reveal gut–brain communication in Alzheimer’s disease model mice


2024年1月,陈宇团队报道了阿尔茨海默症(AD)小鼠中肠道微生态的改变特征及其驱动的外周-中枢代谢图谱变化。本研究构建了肠道菌群与外周-中枢代谢产物的关联图谱,揭示了肠道菌群对宿主致病因素的适应和反馈机制,扩展了人们对“菌群-代谢产物-脑轴”的理解,并为开发针对肠脑交流的AD干预和治疗提供了新的方向。相关成果发表于国际知名期刊Gut Microbes

原文链接:

https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/19490976.2024.2302310


3. Stretchable, self-rolled, microfluidic electronics enable conformable neural interfaces of brain and vagus neuromodulation


2024年1月,鲁艺和南方科技大学蒋兴宇、江苏省人民医院崔畅合作,通过微流体印刷技术研发了一种可拉伸、自卷曲的液态金属电极阵列。这种柔性电极阵列能否耐受高达600%的拉伸形变,具有较好的生物相容性和力学适应性,可用于在体水平大脑皮层和迷走神经神经电生理活动的记录,为中枢-外周环路的研究提供了重要的工具。相关成果发表于国际知名期刊 ACS Nano 

原文链接:

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.3c10028


4. Dose-dependent action of cordycepin on the microbiome-gut-brain-adipose axis in mice exposed to stress


2023年10月,刘欣安团队和陈祖昕团队发表了关于虫草素对应激小鼠微生物-肠-脑-脂肪轴的剂量依赖性作用的研究论文。本研究提示了虫草素在压力应激引起的精神及代谢紊乱中的剂量相关作用,不同剂量虫草素逆转压力应激诱导的小鼠特异肠道菌和血清特定代谢物,对肠-脑-脂肪轴的关键作用因子的网络效应具有剂量差异性。本研究提示虫草素的最佳处方剂量应根据患者合并精神疾病和代谢紊乱的程度来决定,以提高预防或治疗效果,减少副作用,对于揭示中药的精确治疗具有重要意义。相关成果发表于国际知名期刊Biomedicine & Pharmacotherapy

原文链接:

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0753332223015949?via%3Dihub


5. Defensive responses: behaviour, the brain and the body


2023年9月,王立平团队综述动物在面对威胁时的防御反应过程中大脑调节动物行为及外周器官功能的神经机制。本研究重点讨论了与感染、饥饿和交配相关的内部状态中涉及的外周系统与防御捕食者威胁的神经回路的交叉点。旨在阐明大脑和身体之间的相互联系,作为一个综合网络,促进对威胁的适当防御反应。相关成果发表于国际顶级期刊 Nature Review Neuroscience

原文链接:

https://www.nature.com/articles/s41583-023-00736-3#author-information


6. Central and peripheral actions of nicotine that influence blood glucose homeostasis and the development of diabetes


2023年7月,刘欣安团队和陈祖昕团队联合西奈山伊坎医学院Paul Kenny教授发表了关于尼古丁影响血糖稳态及糖尿病发生发展的综述文章。本文从大脑中枢,外周脏器(胰腺、肝脏、脂肪、肌肉)、以及中枢-外周脏器互作等三个方面深入分析了尼古丁调控血糖代谢的作用,最后推断出自主神经系统功能异常是介导尼古丁成瘾导致血糖紊乱的关键因素。该综述旨在解析吸烟成瘾人群糖尿病风险增加的机制,促进对相关疾病的理解和干预手段的开发。相关成果发表于国际知名期刊 Pharmacological Research 

原文链接:

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1043661823002165?via%3Dihub


7. Bidirectional control of parathyroid hormone and bone mass by subfornical organ


2023年6月,杨帆团队解析了大脑调控甲状旁腺分泌功能调节骨代谢的神经环路机制;该研究发现小鼠中枢神经系统穹窿下器官(subfornical organ, SFO)感受外周甲状旁腺激素(parathyroid hormone, PTH),并通过下丘脑室旁核(paraventricular nucleus, PVN)以及交感神经反馈调节外周PTH变化进而干预骨代谢的机制。相关成果发表于国际知名期刊 Neuron 。

原文链接:

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S089662732300226X?via%3Dihub


8. An iterative neural processing sequence orchestrates feeding


2023年3月,王立平团队发现小鼠摄食行为与非摄食行为交替出现的片段化摄食行为特征及神经机制。该研究加深了人们对摄食行为和摄食过程中神经调控机制的认识,将为摄食障碍相关疾病的治疗提供新的理论基础。相关成果发表于国际知名期刊 Neuron 。

原文链接:

https://www.cell.com/neuron/fulltext/S0896-6273(23)00129-0


9. Dynamic network modeling of gut microbiota during Alzheimer’s disease progression in mice


2023年2月,陈宇团队基于阿尔茨海默症(AD)小鼠的肠道菌群,构建了一套用于推测肠道菌群干预窗口期和干预靶点的动态复杂网络模型。本研究解析了AD小鼠肠道微生态拓扑结构随生长发育的动态变化,分析了AD小鼠肠道菌群最佳干预靶点及其对宿主神经的影响,为其他神经系统疾病的“脑-肠轴”研究提供了新的思路。相关成果发表于国际知名期刊 Gut Microbes 

原文链接:

https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/19490976.2023.2172672


10. Engineering electrodes with robust conducting hydrogel coating for neural recording and modulation


2023年1月,鲁艺和南方科技大学刘吉合作,通过聚合物链的固定和化学交联等方法增强了导电水凝胶与神经电极界面稳定性,使其在长期电刺激环和机械震荡等极端条件下保持仍能保持优异的性能。这种导电聚合物膜为中枢-外周环路功能性电刺激和电生理记录提供了高性能的神经界面。相关成果发表于国际知名期刊 Advanced Materials 。

原文链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202209324


11. Divergent neurocircuitry dissociates two components of the stress response: glucose mobilization and anxiety-like behavior


2022年11月,王立平团队发现压力应激导致焦虑和糖代谢异常的神经环路机制;该研究揭示了aBNSTGad2+→ARCGad2+的环路分别通过投射到中缝隐核(The Raphe obscurus nucleus,ROb)和孤束核(The nucleus of solitary tract,NTS)协调血糖变化和焦虑样行为输出。相关成果发表于国际知名期刊 Cell Reports 

原文链接:

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211124722014516?via%3Dihub


12. Cav3.1-driven bursting firing in ventromedial hypothalamic neurons exerts dual control of anxiety-like behavior and energy expenditure


2022年3月,杨帆团队发现压力应激导致焦虑与能量代谢异常的神经生理机制;该研究揭示了慢性压力应激中下丘脑腹内侧核团(Ventromedial hypothalamus, VMH)神经元的簇状放电对焦虑及能量代谢的调控作用,而钙离子通道Cav3.1在上述调控中扮演了重要角色。相关成果发表于精神病学经典期刊 Molecular Psychiatry 

原文链接:

https://www.nature.com/articles/s41380-022-01513-x


13. Flexible and stretchable polymer optical fibers for chronic brain and vagus nerve optogenetic stimulations in free-behaving animals


2021年11月,鲁艺和王立平、钟成合作,研发了一种柔性可拉伸的聚合物光纤。这种聚合物光纤能够耐受超过100%的拉伸形变,并且具有较低的杨氏模量和光损,以及优异的生物相容性。借助这种光纤,可在中枢-外周环路构建稳定的光学神经界面,实现对特定类型神经细胞的选择性调控,进而实现对特定生理状态或行为的干预。相关成果发表于国际知名期刊 BMC Biology 

原文链接:

https://academic.oup.com/nsr/article/doi/10.1093/nsr/nwad294/7438875


14. Osteocalcin attenuates oligodendrocyte differentiation and myelination via GPR37 signaling in the mouse brain


2021年10月,李翔团队发现骨源性因子骨钙素(Osteocalcin)能够通过其新受体GPR37调控少突胶质细胞分化及髓鞘化;该研究为从调节骨功能及骨源性因子角度探索维持神经系统功能新措施提供了理论依据,也为相关神经系统疾病的临床干预新策略和新靶点提供了科学依据。相关成果发表于国际知名期刊 Science Advance 

原文链接:

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abi5811


15. Activation of dopaminergic VTA inputs to the mPFC ameliorates chronic stress-induced breast tumor progression


2021年2月,屠洁团队发现压力应激促进乳腺癌进程的神经环路机制;该研究表明情绪调节神经环路在癌症进程中的积极作用,并揭示了压力、情绪调节和乳腺癌进展之间的联系;为乳腺癌的治疗干预提供了新的见解。相关成果发表于国际知名期刊 CNS Neuroscience & Therapeutics 

原文链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/cns.13465


16. A GABAergic neural circuit in the ventromedial hypothalamus mediates chronic stress–induced bone loss


2020年12月,王立平和杨帆团队解析了大脑调控慢性压力应激导致骨丢失的中枢神经环路机制;该研究首次发现一条全新神经环路,揭示了慢性压力应激引发骨丢失的神经机制,为临床医学和航天医学中由于压力应激导致的骨丢失提供新的策略和治疗靶点。相关成果发表于临床医学经典期刊 The Journal of Clinical Investigation 

原文链接:

https://www.jci.org/articles/view/136105