相信“阳康”后的大家都深有体会，新冠病毒消息除了发烧外还出现了因人而异的多种症状，如咳嗽、脑雾、鼻塞、多痰等，这些症状在一段时间内都能恢复；而多发于老年群体的更为隐匿的症状——沉默性缺氧，却可能对多器官功能产生不可逆的损伤甚至危及生命。
生理状态下，机体存在一套感受和调节缺氧的精细系统，通过颈动脉体的化学感受器将低氧信号传到脑干呼吸中枢，并引起叹息、呼吸频率增加、潮气量增加等一系列呼吸反应来维持血氧平衡。然而调节缺氧相关呼吸反应的神经环路机制尚不明确。
近日，密歇根大学生命科学研究所李鹏教授团队在Cell出版社杂志
Current Biology
上发表论文
“A carotid body-brainstem neural circuit mediates sighing in hypoxia”
，发现低血氧状态通过颈动脉体被脑干孤束核（the nucleus of the solitary tract，NTS）感知，后者投射到呼吸中枢（the preBötzinger complex，the preBötC）并启动叹气反应，从而提高血氧含量。
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缺氧引起的低氧换气反应除了叹气还有呼吸频率的改变等，为了阐明缺氧时不同换气反应的特征，研究人员给予小鼠正常氧气（21%）和低氧刺激（15%、10%），利用无束缚全身体积描记系统记录小鼠呼吸情况，发现降低空气氧含量时小鼠的叹气频次显著上升并一直维持到恢复正常空气氧含量，而呼吸频率、潮气量和每分钟换气量却只在低氧刺激开始时轻微上升随后快速回到正常水平。同时在正常血氧和低氧状态下，叹气都能迅速提升血氧含量。说明在缺氧时机体会优先通过叹气来提高血氧含量。
图二 缺氧优先引起叹气反应来提高血氧含量
那么调节缺氧状态下叹气反应的神经环路是什么呢？生理学上已经证明血氧是由颈动脉体化学感受器感受，并通过迷走神经节-足神经节（nodose-jugular-petrosal ganglion，NJP）中继传入脑干NTS区域。
染料和狂犬病毒逆向联合示踪实验证明，NJP的神经元分别连接颈动脉体和NTS中的胃泌素释放肽（gastrin-releasing peptide，Grp）阳性神经元，且这部分GRP神经元在小鼠低氧刺激后被显著激活。于是，研究人员利用光遗传激活麻醉小鼠NTS的GRP神经元，在小鼠上可以诱发类似叹气的、长而深的换气，以及膈肌强烈收缩的反应。
因为preBötC是启动呼吸动作的中枢，研究人员利用光遗传激活NTSGrp神经元投射到preBötC的末梢，也能一定程度诱发叹气样动作。这种现象在清醒自由活动小鼠中光遗传或者化学遗传激活NTSGrp神经元时同样存在。（图三）
图三 激活NTSGrp-preBötC神经元可以诱发叹气反应
接着研究人员证明了这条环路在缺氧引起叹气的反应中是否必要。双侧消融NTSGrp神经元后缺氧引起的叹气频次显著减少，但不影响正常空气氧含量状态下叹气频次、以及呼吸频率和潮气量；利用化学遗传学抑制NTSGrp神经元、或光遗传学抑制NTSGrp-preBötC末梢也能观察到类似的效应。以上结果说明NTSGrp-preBötC对于缺氧诱发叹气的反应是充分必要的。
然而，进一步检测发现，叹气反应被抑制的小鼠在受到缺氧刺激时血氧浓度并没有下降，又因为抑制叹气反应不影响正常的呼吸频率，说明存在其他生理机制维持血氧浓度。因为缺氧可以引起心率上升从而增加心排量，研究人员观察到抑制了NTSGrp神经元的小鼠不管在正常血氧还是受到缺氧刺激下心率都显著上升，说明叹气被抑制后可通过心率增加维持血氧平衡。
总 结
为了对抗缺氧损害，机体进化除了多种生理机制来维持血氧平衡，本研究发现了叹气反应对缺氧程度青春，可以作为患者缺氧状态的评判依据；同时，通过增加患者叹息频次有助于其血氧水平的恢复。
除此之外，本研究解析了调节叹气反应的脑干环路，为探究大脑尤其是NTS作为内感受中枢，调控不同呼吸效应提供了实验依据。
原文链接：
参考文献：
Yao Y, Chen J, Li X, Chen ZF, Li P. A carotid body-brainstem neural circuit mediates sighing in hypoxia. Curr Biol. 2023 Jan 31:S0960-9822(23)00019-2. doi: 10.1016/j.cub.2023.01.019. Epub ahead of print. PMID: 36750092.
编译作者：夏洛特（brainnews创作团队）
校审：Simon（brainnews编辑部）
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