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神经网络与机体代谢之间的关系
来源:     时间 : 2017-08-30
大脑神经系统与机体代谢之间存在千丝万缕的联系。神经元传递的信号能够调控机体的各类代谢活动的强度,而代谢特征的改变也会影响神经系统的发育以及神经信号的传递。针对这一领域相关的最新研究成果,进行简要的盘点,希望读者朋友们能够喜欢。
doi:10.1126/science.aam7100

在一项新的研究中,来自美国耶鲁大学医学院的研究人员发现激活大脑一个区域中的之前不与进食相关联的神经元能够让小鼠产生暴食行为。相关研究结果发表在2017年5月26日的Science期刊上,论文标题为"Rapid binge-like eating and body weight gain driven by zona incerta GABA neuron activation"。论文通信作者为耶鲁大学医学院神经外科研究员Anthony van den Pol,论文第一作者为耶鲁大学医学院神经外科研究员Xiaobing Zhang。
当被光探针激活时,大脑未定带(zona incerta)中的γ-氨基丁酸能神经元(GABA neuron)诱导小鼠重复性地回去进食。
van den Pol说,"最引人注目的是小鼠迅速地开始进食。尽管很多大脑区域促进调节能量平衡和食物摄入,但是我并未意识到大脑中的任何其他部分能够经刺激后在两到三秒内让小鼠产生进食行为。"
当小鼠的大脑未定带区域被激活时,它们的体重大幅增加,但是当这种激活缺乏时,它们随后返回到正常体重。
van den Pol说,"与人暴食的类似性是令人关注的。这些小鼠喜欢吃炸土豆片、糖果或蛋糕的动物版本。"
现有的研究主要着重关注作为进食行为中心的内侧下丘脑和外侧下丘脑,而在很大程度上忽视了附近的未定带区域。然而,van den Pol注意到,一些病人在接受深部脑刺激来治疗运动障碍疾病后,对吃东西的兴趣增加了,这可能是由于附近的未定带区域被激活的缘故。
DOI: 10.1016/j.biopsych.2016.05.016

人类大脑的背侧纹状体区域对于增强人们的正向行为以及抑制负向的行为具有重要的作用。这一机制调控了人们的目的导向的行为,但同时也与药物以及酒精上瘾有莫大的联系。
根据最近发表在《Biological Psychiatry》杂志上的一项研究,背侧纹状体的两类通路调节了这一过程:"go"通路起着油门的作用,负责正向行为的进行,而"no-go"通路则起着刹车的作用,能够抑制人们的酗酒行为。这项由德克萨斯健康医学中心的Jun Wang博士领导做出的研究表明这两大信号统统调节了人们的酒精上瘾行为。
研究者们通过训练小鼠产生重度的酒精上瘾症状,并检测了这一反馈调节通路的平衡调节特征。"就我们所知,这一研究首次发现了过量的饮酒会抑制'no-go'通路的激活",Wang说道。通过记录细胞的活性,研究者们发现大脑的抑制性神经递质GABA的信号有了逐渐地增强,而这一信号能够明显地抑制no-go信号通路的激活。另外,过量的饮酒会对go信号通路产生完全相反的影响。细胞谷氨酸盐的信号有了明显增强,而谷氨酸盐是大脑主要的激活型神经递质,能够激活go信号。
这一发现揭示了酒精上瘾的内在生物学机制。"这两种信号能够增强个体对酒精的依赖程度,最终导致过量饮酒的发生"。
研究者们通过人为控制细胞对每一条信号通路的响应(包括谷氨酸以及GABA),证明了no-go信号的抑制以及go信号的增强确实会导致酒精上瘾现象的发生,这一发现表明了这两条途径均影响了人们饮酒的行为。
研究者们进一步发现,多巴胺D2受体的激活能够降低GABA的活性以及下调酒精的依赖程度,而GABA的活性则是受到了D2受体下游一种叫做GSK3b的蛋白的影响,该蛋白能够改变GABA受体在细胞中的表达水平。
研究者们认为,这一发现提供了治疗酒精上瘾的新的治疗靶点。通过进一步的研究希望能够设计出治疗酗酒的新方法。

美国联邦健康机构最近发现一些特定的抗抑郁药与抗癫痫药物能够有效缓解糖尿病引发的神经疼痛。相关结果发表在最近一期的《neurology》杂志上。
美国疾控中心称美国境内有9%的人患有糖尿病,而其中有50%的人或多或少都患有各种各样的外周神经疼痛。高血糖往往会造成神经的损伤,尽管其中一些症状不明显。常见症状包括神经疼痛、麻木以及腿脚刺痛。患糖尿病的时间越长,神经疼痛的风险也就越高。而严重的神经疼痛则会有面临截肢的风险。
这篇系统性的综述根据多个严谨的研究性试验进行分析汇总得到了最终的结论。研究者们查阅的研究总共达到了106项。
结果显示,抗抑郁药如度洛西汀等能够作为5-羟色胺以及去甲肾上腺素的再摄取抑制剂,这对于降低神经疼痛具有十分明显的效果。此外,他们找到一些证据表明抗癫痫药物如普瑞巴林等以及鸦片等抗抑郁药物也能够有效地降低疼痛。
作者注意到,长期地使用鸦片药物并不利于慢性疼痛的缓解,这是因为并没有证据表明鸦片等药物具有长期的缓解疼痛的作用的相关证据,而且还会有上瘾的风险。
另外,虽然普瑞巴林与加巴喷丁的作用机制相似,临床也经常相互转换使用,但该文章指出加巴喷丁在治疗神经疼痛方面并不如前者有效。
作者希望这一结果能够对医生以及患者在神经疼痛方面的治疗起到一定的帮助。
DOI:10.1016/j.devcel.2016.10.003

约翰斯霍普金斯大学的研究人员最近发现一条经典的神经信号途径可以帮助控制血液中的葡萄糖水平,这有助于开发新的糖尿病治疗方法。
在这篇发表在国际学术期刊Development Cell上的文章中,研究人员证明一种调节神经细胞发育的蛋白能够促进胰岛细胞释放胰岛素,帮助控制血糖水平。
众所周知有时神经元和胰腺β细胞在一些分子组成和信号受体方面会存在许多相似性。受体是位于细胞表明应答特殊化学信号的蛋白分子,在细胞信号途径中发挥重要作用。而神经元和胰腺β细胞都有接收神经营养因子(NGF)的受体。
研究人员表示他们进行该研究的一个目的就是想要弄清楚这些神经营养因子在神经系统之外到底发挥什么作用。通过研究他们发现血液中葡萄糖水平升高会引起NGF从胰腺的血管中释放,NGF信号随后促进胰腺β细胞改变细胞骨架结构将胰岛素分泌到血液中。虽然β细胞也能够合成NGF,但是研究人员发现能够促进胰岛素分泌的是从血管中释放出来的NGF。
借助基因工程小鼠和阻断β细胞NGF信号途径的药物,研究人员发现这条经典的神经信号途径对于增强小鼠体内胰岛素分泌和葡萄糖耐受是十分必要的。非常重要的是,研究人员发现NGF增强胰岛素分泌应答高血糖的这种能力在人类β细胞中也会发生。
目前还不清楚该系统在糖尿病患者体内如何受到影响。"我们对处于糖尿病前期的人其体内这条信号途径是否也发生紊乱非常感兴趣。"文章作者Kuruvilla这样说道。进一步确定NGF或结合并激活胰腺NGF受体的小分子是否能够用于2型糖尿病治疗有非常重要的意义。这些问题有待于在更深入的研究中得到解答。

近日,一项研究称,暴饮暴食行为影响了大约10%的美国成年人,这种疾病的神经生物学基础机制目前还不清楚。美国农业部农业研究局贝勒医学院儿童营养研究中心和得克萨斯州儿童医院的研究人员通过小鼠实验研究发现,某些神经回路能够抑制小鼠暴饮暴食的饮食行为。他们的的相关研究报告发表在《生物精神病学》杂志上。
"人类相关研究表明大脑中的血清素系统或多巴胺系统的功能障碍可能与暴饮暴食的饮食行为相关,"Yong Xu博士说,他是贝勒医学院儿科副教授,也是该文章的高级作者。"然而,从其它角度上看,没有直接证据证明血清素系统或多巴胺系统是如何影响饮食行为的。"
在这项研究中,Yong Xu和他的同事们发现了一个神经回路,该神经回路里有一组5-羟色胺神经元并可激活多巴胺神经元。他们的研究结果发现,激活这个神经回路可以抑制小鼠暴饮暴食饮食行为。
此外,还有14个潜在的受体可以调解复杂的5-羟色胺在身体中的影响,Yong Xu和他的同事们发现了一个特定的受体,该受体在暴饮暴食的饮食行为中的作用非常重要。他们通过研究发现5-羟色胺2c受体通过多巴胺神经元表达从而抑制人们的暴饮暴食行为。
Yong Xu指出,FDA批准的药物5-羟色胺2c受体兴奋剂目前被用作治疗成年人的超重和肥胖,以及成年人使用它来抑制暴饮暴食行为。
doi:10.1016/j.cell.2016.02.010
发表于Cell上的一项研究报告中,来自耶鲁大学医学院的研究人员通过研究指出,餐后机体血糖水平的上升或可被脑部神经元的线粒体所控制,线粒体被认为是细胞的能量工厂,该研究或可帮助研究者们更好地理解2型糖尿病的发生机制。
血糖水平可以通过胰岛素来控制,本文研究中研究者阐明了大脑神经元中线粒体在系统性控制机体血糖中所扮演的关键角色,同时也揭示了大脑中的神经元如何适应机体血糖的"巨变"(快速变化);他们发现,神经元中的线粒体不光可以感受机体循环血糖水平的改变,而且相同线粒体的适应性改变还处于机体控制血糖的核心位置;为了证实这一点,随后研究者制造了一系列小鼠,这些小鼠机体中名为解偶联蛋白2(UCP2)的特殊线粒体蛋白在感知血糖水平的脑细胞中要么缺失要么存在。
研究者Sabrina Diano教授说道,当机体中血糖水平升高,大脑神经元细胞中的线粒体就会快速改变其形状和功能,而更让我们不可思议的并不是神经元线粒体应对血糖水平发生的改变,而是这种看似微小的调节或许可以通过影响机体外围组织的功能来对循环的血糖水平产生明显的影响。
本文研究揭示的机制改变对于研究多种代谢性疾病,比如2型糖尿病具有重要的意义,对于2型糖尿病患者而言,其机体并不能应对餐后机体血糖水平的升高,而后期研究者表示,他们还将聚焦于相关的研究来评估大脑神经元细胞中线粒体的改变是否会参与2型糖尿病的发病。
doi.org/10.7554/eLife.06259

近日,来自美国乔治亚技术研究所和国王学院的研究者们发现,在线虫特定的神经元,食物丰富性的信息是由血清素和TGF-beta通路的基因水平所编码的。这些神经系统的信号可以影响动物的寿命,因此介导了食物对衰老的影响。这项发现最近发表在eLife杂志上。
饮食对健康及衰老都有很重要的影响。神经系统在此过程中起到了很重要的作用,然而,神经系统是如何将食物信号解码的,这至今仍然是个谜。这是一个重要的问题,因为神经系统对食物信号的解码,不仅仅影响衰老,而且还影响健康与疾病,包括代谢,再生和发育。
研究人员利用线虫作为实验模型发现,血清素和TGF-beta通路在连接食物丰富性和神经系统中起了重要的作用。这两条通路间的相互调节和自动调节,改变了DAF-7(TGF-beta)和TPH-1(色氨酸羟化酶)对食物供应的基因表达反应的形状,动态范围和总体方差。这些复杂的调节特性,为TGF-beta和血清素信号协调这个多神经元代码的准确性,提供了不同的机制:daf-7主要调节基因表达的多样性,而TPH-1主要调节的基因表达反应的动态范围。当研究人员将daf-7 和 tph-1突变后,可以降低依赖于食物供应的寿命改变。
血清素和TGF-beta通路在多种人类疾病中起作用,包括癌症,精神疾病,糖尿病和肥胖。由于许多重要的基因在线虫和人类起到了相似的作用,所以,利用线虫这个简单的多细胞模型,科学们已经发现了有关人类生理及疾病的许多遗传通路。
此项研究就是利用线虫这种生物模型,揭示了感知事物丰富性的神经密码,即基因表达水平可作为神经系统调控的信息处理。 (生物谷Bioon.com)