Cell | 島葉皮質(zhì)神經(jīng)元編碼和檢索特異性免疫反應(yīng)

原創(chuàng)?驕陽似我?圖靈基因?今天

收錄于話題#前沿分子生物學(xué)機(jī)制

撰文：驕陽似我

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越來越多的證據(jù)表明大腦調(diào)節(jié)外周免疫，但大腦是否以及如何代表免疫系統(tǒng)的狀態(tài)尚不清楚畏鼓。本文展示了大腦島葉皮層（InsCtx）存儲免疫相關(guān)信息。使用小鼠活性依賴性細(xì)胞標(biāo)記（FosTRAP）捕獲了InsCtx中在兩種不同炎癥條件下（葡聚糖硫酸鈉[DSS]誘導(dǎo)的結(jié)腸炎和酵母多糖誘導(dǎo)的腹膜炎）活躍的神經(jīng)元群齿兔。這些神經(jīng)元群的化學(xué)基因再激活足以廣泛恢復(fù)這些神經(jīng)元被捕獲時的炎癥狀態(tài)。本文證明了大腦可以儲存和檢索特定的免疫反應(yīng)础米，從而將免疫學(xué)的經(jīng)典概念擴(kuò)展到炎癥信息的神經(jīng)元表征分苇。

作為一個中央調(diào)節(jié)器，大腦很可能從它所控制的任何系統(tǒng)接收反饋椭盏，進(jìn)而形成免疫系統(tǒng)的表征组砚。這一概念得到了幾條證據(jù)的支持吻商。首先掏颊，在解剖學(xué)上，大腦通過外周免疫器官的感覺輸入接收免疫相關(guān)信息。其次乌叶，大腦對周圍免疫挑戰(zhàn)作出反應(yīng)盆偿。最后，已證明免疫系統(tǒng)通過將特定免疫反應(yīng)（例如准浴，免疫抑制）與外部線索（例如事扭，糖精水）相關(guān)聯(lián)來對免疫調(diào)節(jié)作出反應(yīng)，從而僅呈現(xiàn)線索即可引發(fā)免疫反應(yīng)乐横，表明大腦對免疫相關(guān)信息進(jìn)行編碼求橄。此外，病變研究確定了免疫調(diào)節(jié)所需的特定大腦區(qū)域葡公，尤其是InsCtx罐农。然而，這種免疫表征在大腦中的存在從未被直接證明催什。

近期涵亏，在cell雜志上發(fā)表了一篇名為“Insular cortex neurons encode and retrieve specific immune responses”的文章，證明了大腦可以儲存和檢索特定的免疫反應(yīng)蒲凶，從而將免疫學(xué)的經(jīng)典概念擴(kuò)展到炎癥信息的神經(jīng)元表征气筋。

為了捕獲在外周免疫激發(fā)期間活躍的神經(jīng)元，使用轉(zhuǎn)基因靶向重組非活性群體（TRAP）小鼠旋圆。這些小鼠在活性依賴性c-Fos啟動子（FosTRAP小鼠）的控制下表達(dá)ICRERT2宠默，該啟動子可作為神經(jīng)元活性的指標(biāo)。在三苯氧胺（TM）存在的情況下灵巧，活性神經(jīng)元驅(qū)動Cre依賴性重組光稼，以誘導(dǎo)效應(yīng)基因的表達(dá)。本文使用了炎癥性腸埠⒌取（IBD）模型艾君，右旋糖酐硫酸鈉（DSS）誘導(dǎo)的結(jié)腸炎，以捕捉其在InsCtx中的潛在表達(dá)肄方。將TRAP小鼠與Cre依賴的tdTomato系A(chǔ)i14D雜交冰垄，以觀察活性細(xì)胞。DSS治療開始后48小時（DSS+組）給小鼠注射TM（誘導(dǎo)Cre重組权她，結(jié)果是TDTomato表達(dá)）虹茶；作為對照，使用另一組同時注射TM但未注射DSS的TRAP-tdTomato小鼠（DSS組）隅要，該組可以比較大腦中的炎癥相關(guān)活動和健康穩(wěn)態(tài)期間的大腦活動蝴罪。在幾個大腦區(qū)域，包括丘腦步清、下丘腦室旁核要门、中央杏仁核虏肾、前扣帶回皮質(zhì)、補充體感皮質(zhì)和InsCtx的TDT表達(dá)增加（表明神經(jīng)元活動）（p<0.0001）欢搜。因此封豪，大腦，包括InsCtx炒瘟，對外周免疫作出反應(yīng)吹埠。為了將TRAP定位到這個大腦區(qū)域，并將標(biāo)記限制在神經(jīng)元群體疮装，使用了病毒載體缘琅。該病毒載體編碼mCherry熒光報告基因，在神經(jīng)元特異性啟動子突觸蛋白下以Cre依賴性方式表達(dá)廓推，并立體定向注射到TRAP小鼠的右后InsCtx胯杭。為了在結(jié)腸炎期間捕獲活躍的神經(jīng)元，在DSS治療開始后48小時注射含TME的小鼠受啥。大多數(shù)標(biāo)記細(xì)胞是神經(jīng)元做个，而不是星形膠質(zhì)細(xì)胞或小膠質(zhì)細(xì)胞。更具體地說滚局，通過原位雜交測定居暖，71%的TRAP細(xì)胞為谷氨酸能細(xì)胞，20%為GABA能細(xì)胞藤肢。因此太闺，DSS誘導(dǎo)的結(jié)腸炎與InsCtx中神經(jīng)元的激活增加有關(guān)。然而嘁圈，這些相關(guān)的發(fā)現(xiàn)不足以證明這些神經(jīng)元確實編碼免疫相關(guān)信息省骂。圖1：DSS誘導(dǎo)小鼠InsCtx結(jié)腸炎過程中神經(jīng)元的活性依賴性標(biāo)記。

本文重新激活了被捕獲的神經(jīng)元最住，并評估了它們對免疫反應(yīng)的影響钞澳。對于神經(jīng)元的重新激活，在捕獲的神經(jīng)元中共同表達(dá)了一種刺激性恐懼受體（專門由設(shè)計藥物激活的設(shè)計受體涨缚；Gq）轧粟。DRADDS是由合成配體氯氮平N-氧化物（CNO）激活的突變毒蕈堿G蛋白偶聯(lián)受體（GPCR）。因此脓魏，CNO應(yīng)用可以隨意激活捕獲的神經(jīng)元兰吟。對照組注射一種編碼mCherry熒光報告基因但缺乏恐懼編碼序列的病毒。在DSS治療開始后48小時注射TM茂翔，以捕獲活躍的InsCtx神經(jīng)元混蔼，并使其表達(dá)Gq恐懼和熒光報告∩毫牵恢復(fù)4周后惭嚣，重新激活捕獲的InsCtx神經(jīng)元群遵湖，并評估其對外周免疫反應(yīng)的影響。即使在沒有額外的免疫激發(fā)的情況下料按，神經(jīng)元的重新激活也會導(dǎo)致Gq小鼠結(jié)腸的免疫活性增強，這與初始或重復(fù)DSS治療期間的明顯變化一致卓箫。結(jié)腸粘膜層的白細(xì)胞百分比顯著增加载矿，包括上皮內(nèi)淋巴細(xì)胞（IEL）和固有層內(nèi)的白細(xì)胞（LP）。與對照組小鼠相比烹卒，Gq組激活的gd T細(xì)胞在IEL中增加闷盔，在LP中減少，這是先前在腸道感染期間證明的gd T細(xì)胞的特征趨勢旅急。此外發(fā)現(xiàn)活化的CD4+T細(xì)胞比例更高逢勾，而CD8+T細(xì)胞的活化程度增加，LP中特異性樹突狀細(xì)胞亞群（CD103 CD11b+）的百分比增加藐吮。細(xì)胞內(nèi)分析顯示溺拱，表達(dá)白細(xì)胞介素-6（IL-6）的IEL CD4 T細(xì)胞和表達(dá)腫瘤壞死因子a（TNF-a）的單核細(xì)胞的百分比增加。所有組織結(jié)腸分析也支持這些變化谣辞，表明Gq組TNF-a迫摔、IL-6和IL-17水平升高，而抗炎細(xì)胞因子IL-10水平無明顯變化泥从。結(jié)腸的免疫熒光（IF）分析進(jìn)一步支持了白細(xì)胞豐度的增加句占。總之躯嫉，這些觀察結(jié)果表明纱烘，大腦可以重新激活先前獲得的免疫相關(guān)信息。圖2：結(jié)腸炎期間捕獲的InsCtx神經(jīng)元群的再激活再現(xiàn)了結(jié)腸的炎癥狀態(tài)祈餐。

為了測試特定的神經(jīng)元群是否能對結(jié)腸免疫反應(yīng)產(chǎn)生差異性影響擂啥，在所有實驗組中誘導(dǎo)神經(jīng)元再激活，但改變了這些神經(jīng)元被捕獲的免疫環(huán)境帆阳。因此啤它，表達(dá)Gq的小鼠在DSS前、中或后注射TMQ（分別為Gq前舱痘、Gq中和Gq后）变骡。所有三組均接受相同的病毒載體和DSS治療，并且由于持續(xù)的基線活動芭逝，預(yù)計所有三組都將捕獲InsCtx中的神經(jīng)元塌碌。恢復(fù)后重新激活捕獲的神經(jīng)元群旬盯，并評估對其結(jié)腸免疫狀態(tài)的影響台妆。盡管所有組均表達(dá)Gq恐懼翎猛，但只有Gq中組結(jié)腸炎癥反應(yīng)顯著增加。IEL人群中激活的gd T細(xì)胞百分比增加接剩，而LP人群中激活的gd T細(xì)胞百分比減少切厘。活化的CD4+T細(xì)胞百分比（CD69+CD4+）IEL和LP以及激活標(biāo)記物CD69的表達(dá)增加懊缺。結(jié)腸IF分析進(jìn)一步支持了LP白細(xì)胞豐度的增加疫稿。因此，只有在最初的炎癥過程中捕獲的InsCtx神經(jīng)元才能誘發(fā)結(jié)腸發(fā)炎然而鹃两，三個實驗組之間免疫學(xué)結(jié)果的差異可能是由于激活神經(jīng)元的數(shù)量遗座，而不是它們編碼的特定信息。圖3：DSS誘導(dǎo)的結(jié)腸炎不同階段捕獲的神經(jīng)元群的再激活在結(jié)腸中產(chǎn)生不同的免疫反應(yīng)俊扳。

以Cre獨立的方式靶向InsCtx相同區(qū)域神經(jīng)元數(shù)量的大約兩倍途蒋，這種強烈但普遍的激活并未在結(jié)腸中引起炎癥反應(yīng)。此外馋记，即使在先前暴露于DSS的小鼠中重復(fù)非特異性激活范例号坡，也無法檢測到非特異性InsCtx激活后結(jié)腸中的任何顯著免疫效應(yīng)。這些觀察結(jié)果進(jìn)一步支持了大腦編碼信息的特異性及其對誘發(fā)外周炎癥的因果效應(yīng)梯醒。圖4：InsCtx的非特異性激活在結(jié)腸中不會引起明顯的細(xì)胞免疫反應(yīng)筋帖。

為了研究InsCtx中神經(jīng)元群編碼的免疫信息的性質(zhì)，添加了一種不同的免疫挑戰(zhàn)冤馏，酵母多糖誘導(dǎo)腹膜炎（ZIP）日麸。這種定義明確的炎癥過程影響另一個內(nèi)臟區(qū)域（神經(jīng)周圍），并且在免疫學(xué)上與DSS誘導(dǎo)的結(jié)腸炎不同逮光。與對照組相比代箭，ZIP期間捕獲的被捕獲神經(jīng)元數(shù)量沒有差異，這可能是由于該模型更為急性涕刚∥俗郏恢復(fù)后杜漠，所有組均注射CNO以誘導(dǎo)神經(jīng)元再激活。ZIP模型中觀察到的免疫變化令人想起酵母多糖給藥直接誘導(dǎo)的炎癥反應(yīng)驾茴。類似地，在Gq組中锈至，識別酵母多糖的TLR2在大多數(shù)腹膜白細(xì)胞上的表達(dá)顯著增加晨缴。此外，發(fā)現(xiàn)Gq組患者腹腔灌洗液（PLF）中的細(xì)胞因子TNF-a和IL-17水平在治療期間顯著升高击碗，而IL-6和IL-10濃度沒有顯著變化。正如在DSS模型中一樣稍途，在最初的炎癥過程中阁吝，一些明顯的免疫效應(yīng)沒有在再激活范式中重現(xiàn)。重要的是械拍，ZIP過程中捕獲的神經(jīng)元誘導(dǎo)的效應(yīng)與DSS模型中檢測到的效應(yīng)不同突勇，盡管在這兩種模型中殊者，無法將所有升高的細(xì)胞因子水平的來源完全分配給特定的免疫細(xì)胞亞群验夯，這表明其他組織細(xì)胞也可能導(dǎo)致這種現(xiàn)象。重要的是挥转，InsCtx編碼的信息也包括解剖信息，因為在ZIP期間捕獲的神經(jīng)元群的重新激活是腹膜特有的党窜。沒有觀察到結(jié)腸中免疫參數(shù)的任何變化或MLN或血液中的穩(wěn)健效應(yīng)借宵。這些結(jié)果表明，即使沒有額外的免疫挑戰(zhàn)壤玫，InsCtx中編碼的免疫相關(guān)信息也足以誘發(fā)解剖學(xué)定義的特異性外周免疫反應(yīng)。圖5：腹膜炎期間捕獲的神經(jīng)元群的再激活誘導(dǎo)免疫激活楚里，使人聯(lián)想到酵母多糖誘導(dǎo)的腹膜炎（ZIP）猎贴。

由于InsCtx活性可以啟動和誘導(dǎo)外周免疫反應(yīng)，因此它可能觸發(fā)或加劇炎癥狀態(tài)达址。事實上趁耗，InsCtx活性的變化在炎癥性疾病中很明顯，尤其是在腸道相關(guān)疾病中很常見对粪。因此装蓬，本文測試了抑制InsCtx活性可能減輕結(jié)腸炎癥的可能性。在InsCtx中以不依賴Cre的方式表達(dá)了一種抑制因子Gi纱扭，并在每天給小鼠注射CNO的同時在其飲用水中用DSS治療小鼠牍帚。InsCtx活性的降低乳蛾，可減輕結(jié)腸長度和脾臟重量等臨床癥狀，但并非所有臨床和組織學(xué)參數(shù)均有效受影響肃叶。因此，發(fā)現(xiàn)許多岳锁，但不是所有蹦魔，臨床非特異性InsCtx抑制可減弱免疫參數(shù)。這一發(fā)現(xiàn)表明勿决，有針對性地操作InsCtx可能是控制結(jié)腸炎癥的一種治療策略。圖6：在DSS誘導(dǎo)的結(jié)腸炎期間低缩，抑制InsCtx可減輕炎癥狀態(tài)。

本文著重于InsCtx中的神經(jīng)元群調(diào)節(jié)局部外周反應(yīng)的潛在機(jī)制讳推，結(jié)果表明么介，至少在解剖學(xué)上，這些效應(yīng)可以通過自主神經(jīng)系統(tǒng)的雙臂進(jìn)行調(diào)節(jié)设拟。隨后久脯，確定產(chǎn)生傳遞到外周的信息多樣性的機(jī)制的性質(zhì)、它如何隨環(huán)境變化（例如鎮(zhèn)痛）以及自主神經(jīng)系統(tǒng)如何編碼外周解剖結(jié)構(gòu)將是一件有趣的事情跑慕。本文的發(fā)現(xiàn)揭示了抑制InsCtx活性作為抑制外周炎癥手段的潛力。因此核行，這項研究為理解這些病理狀況增加了另一個視角，并可能成為治療干預(yù)的途徑减余。

教授介紹：

Asya Rolls

Asya Rolls是Technion Rappaport醫(yī)學(xué)院的副教授惩系。她是睡眠和大腦研究的專家，研究情緒和思想如何影響身體健康抒抬，長期以來一直對免疫系統(tǒng)如何調(diào)節(jié)大腦活動感興趣晤柄。Asya Rolls教授在Technion生物學(xué)院獲得了生命科學(xué)學(xué)士和碩士學(xué)位，并獲得了博士學(xué)位抓于。她來自魏茨曼科學(xué)研究所浇借，是斯坦福大學(xué)精神病學(xué)系的博士后研究員怕品。她是由霍華德休斯醫(yī)學(xué)研究所（HHMI）選出的40位國際研究者之一，并獲得了包括沃爾夫基金會和阿德利斯腦研究獎頒發(fā)的磷蝦獎在內(nèi)的多項著名獎項肉康。她還獲得了多項獎學(xué)金，包括羅斯柴爾德博士后獎學(xué)金涨薪、歐洲分子生物學(xué)組織（EMO）獎學(xué)金炫乓，并且是富布賴特學(xué)者。Asya Rolls教授在神經(jīng)免疫學(xué)和神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域撰寫或合著了超過21篇論文侠姑，在科學(xué)期刊上發(fā)表的論文超過2100篇箩做。

參考文獻(xiàn)：

Koren et al.,?Insular cortex neurons encodeand retrieve specific immune responses[J].Cell 184, 1–14,November 24,2021