2024年9月16日，《Nature Communications》在线发表了华中科技大学武汉光电国家研究中心生物医学光子学研究部、华中科技大学生物医学光子学教育部重点实验室付玲教授团队的研究论文《In vivo imaging of vagal-induced myenteric plexus responses in gastrointestinal tract with an optical window》。该研究展示了一种在细胞分辨率下稳定、长时间观察小鼠胃窦和肠的光学成像方法，为在体研究肠神经系统（Enteric Nervous System, ENS）功能和肠-脑神经通讯提供了一种实用的解决方案。研究团队利用该方法记录了迷走神经（Vagus Nerve, VN）激活时胃和结肠肌间神经丛（Myenteric Plexus, MP）以及胃肠动力的实时响应，为VN-ENS的实时相互作用提供了重要的见解，促进了对胃肠动力调节的理解。
ENS嵌于消化道壁中，主要分为肌间神经丛（Myenteric Plexus，MP）和黏膜下神经丛（Submucosal Plexus, SMP）。MP对于调节胃肠道肌肉层的功能至关重要，这些肌肉层控制着胃肠道的消化运动。此外，中枢神经系统（Central Nerves System, CNS）通过外源性神经输入，和ENS共同精细调节胃肠道的消化运动，如图1所示。迷走神经（Vagus Nerve, VN）作为副交感神经系统的重要组成部分，广泛支配着胃肠道。其中迷走传入纤维对胃MP的支配密度最高（接近100%），这种密度向结肠方向逐渐减少（低于20%）。VN在监测胃的状态和调节其蠕动方面发挥着重要作用，而结肠蠕动的外源性调节主要依赖交感神经和骶部副交感神经。然而，在体内记录ENS活动和胃肠道肌肉运动存在着重大挑战，包括自发的胃肠运动、呼吸和心跳带来的运动伪影、以及缺乏稳定、长期的成像记录设备等。因此，我们对VN- ENS的在体实时通讯的理解非常有限。
图1.外来神经对胃肠道的支配示意图。（图来源于武汉光电国家研究中心付玲组）
为解决上述问题，付玲教授团队设计了一种用于胃和肠在体成像的光学窗口，根据该窗口发展了一种用于在体记录小鼠胃和肠的实时神经活动的方法，该方法包括ENS特异性标记、窗口外科植入和在体光学显微成像。这种方法确保了小鼠在手术后长达数周的生存，并在成像过程中降低呼吸、心跳和胃肠蠕动带来的影响。利用该方法，首次实现了小鼠胃的稳定、长时间、细胞分辨的在体成像。光学窗口的标准化设计和植入手术以及肠神经系统特异性标记方案使该方法也适用于肠的在体成像研究，扩大了ENS的在体研究范围。同时，该方法稳定成像的能力可有效记录外部刺激引发的胃肠道肌肉运动。
研究团队利用该方法探索了迷走神经刺激（Vagus Nerve Stimulation, VNS）对胃、结肠的运动和MP活动的实时影响，揭示了VNS频率与胃窦肌间神经元激活存在正相关。此外，胃窦的动力显著增强，并与激活的肌间神经元的强度和数量呈正相关，如图2所示。尽管VNS也激活了近端结肠的肌间神经元，但这种激活并不依赖于频率，也不会增强近端结肠的动力。综上所述，本研究发展的方法实现了ENS的稳定和可重复性研究，类似于CNS的在体成像研究策略，是研究ENS功能、胃肠动力调节和CNS-ENS实时通讯的重要工具。
图2. 胃肌间神经丛对迷走神经激活的实时响应。（图来源于Nature Communications）
本文第一作者为华中科技大学武汉光电国家研究中心生物医学光子学研究部博士生蒋龙杰，通讯作者为华中科技大学武汉光电国家研究中心生物医学光子学研究部付玲教授。华中科技大学武汉光电国家研究中心生物医学光子学研究部硕士生杨捷、博士后高秀娟、博士生黄江枫和海南大学生物医学工程学院刘谦教授为共同作者。感谢骆清铭、曾绍群、龚辉、李毓龙等教授对本研究的指导。本研究得到海南省科技人才创新项目、高端生物医学成像重大科技基础设施的支持。华中科技大学武汉光电国家研究中心的光学生物成像核心设施对数据采集提供了支持。
原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-52397-0
