운동 활동과 교감 심혈관 반응을 유도하는 뇌간 단일 시냅스 흥분 경로

Nature Communications 13권, 기사 번호: 5079(2022) 이 기사 인용

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운동을 포함한 운동은 근육 수축의 대사 요구를 충족시키기 위해 적절한 자율 심혈관 조정이 필요하지만 이러한 조정의 기초가 되는 기능적 뇌 구조는 아직 알려지지 않았습니다. 여기에서는 운동 활동과 교감 심혈관 반응을 유도하기 위해 의지 운동 신호, 즉 중추 명령을 전달하는 데 필수적인 역할을 하는 뇌간 회로를 보여줍니다. 쥐의 중뇌 운동 뉴런은 글루타메이트 작용 과정을 통해 적어도 부분적으로 중앙 명령 구동 흥분성 신호를 입측 복측 수질에 전달하여 체성 운동 및 교감 신경계를 모두 활성화합니다. 이 단일 시냅스 경로의 광유전적 자극은 달리기 운동 중에 나타나는 운동 및 심혈관 반응을 유도하는 반면, 경로 억제는 기본 심혈관 항상성에 영향을 주지 않고 자발적인 달리기 동안 운동 활동 및 혈압 상승을 억제합니다. 이러한 결과는 중추 명령 신호를 전송하는 중요한 피질하 경로를 보여 주며, 운동 성능을 극대화하는 데 필수적인 생리학적 조절에 필요한 중추 회로 메커니즘에 대한 핵심 통찰력을 제공합니다.

인간을 포함한 척추동물의 기본적인 행동의 일부인 운동을 포함한 운동에는 골격근 수축에 필요한 연료, 산소와 같은 대사 자원을 제공하여 신체 성능을 향상시키는 자율 심혈관 조정이 수반됩니다. 전뇌에서 심혈관 조절에 대한 피드포워드 하강 운동 신호의 기여는 1세기 이상 동안 제안되어 왔습니다1,2. 현재 이 피드포워드 신호는 중추 명령이라고 불리며 동맥압 및 심장 수축과 함께 근육 활동을 동시에 증가시키기 위해 뇌의 체세포 및 자율 운동 시스템의 병렬 활성화로 가정됩니다3. 이 개념은 일정한 근육 긴장 상태에서 자발적인 등척성 운동 중 심혈관 반응의 크기가 주동근 또는 길항근의 힘줄 진동으로 인한 반사 수축에 의해 변경된 중심 명령 활성화의 양과 양의 상관관계가 있음을 보여주는 인간 연구에서 처음 나왔습니다4. 중추 명령은 마비된 고양이의 가상 운동 중 심혈관 변수의 증가와 마비 후 인간 피험자의 자발적인 근육 수축에 대한 과장된 심혈관 반응으로 볼 수 있듯이 운동 피드백과 독립적으로 교감 신경계의 활성화와 결합됩니다6,7.

중추 명령 신호가 운동 중 자율 심혈관 조정을 유도하는 중추 회로 메커니즘이 아직 완전히 밝혀지지 않았기 때문에 중추 명령 소스의 정확한 위치는 불분명합니다. 자발적인 운동에 반응하여 활성화된 자율 뇌 영역8,9,10,11,12 또는 자극이 자율신경 또는 체성운동 반응13,14,15,16,17,18을 유도하는 영역은 순환의 중앙 명령 제어에 관여할 수 있습니다. 예를 들어, 신경외과 기술을 사용한 인간 연구에 따르면 의지적 운동 동안 신경 활동이 증가하는 시상하핵(STN)과 수도회 주위 회색(PAG)을 포함한 중뇌 회로가 중추 명령 신호를 전달하도록 피질하 회로를 구성하는 것으로 나타났습니다. 파킨슨병 또는 만성 통증이 있는 깨어 있는 환자의 STN17 또는 등/측면 PAG18의 전기 자극. 그럼에도 불구하고, 운동 중 자율신경 변화 및 다른 영역과의 기능적 연결에서 이러한 뇌 영역의 인과적 역할은 입증되지 않았습니다. 중추 명령을 담당하는 뇌의 기질도 임상적으로 중요해졌습니다. 심부전과 같은 병리학적 상태에서 운동하는 동안 비정상적인 심혈관 조절은 운동 불내성과 부정맥과 같은 치명적인 심장 사건의 위험을 증가시킵니다20. 이는 적어도 부분적으로는 중추 명령 기능 장애로 인해 발생하는 반면21,22 환자를 위한 치료 운동 프로그램은 기능 상태와 결과를 향상시킵니다23.

6 weeks old) anesthetized with 1–5% isoflurane in oxygen, intubated, and artificially ventilated (SN480–7, Shinano) were positioned in a stereotaxic head unit (900LOS from David Kopf Instruments, Inc., or SR-6R from Narishige). CTb or given AAV solution was injected into the brain site of interest by using a calibrated pressure-microinjection system (Nanoject II, Drummond Scientific Co.). For injections to the RVLM, the dorsal surface of the medulla was exposed by a midline incision made through the skin covering the back of the head, followed by dissection of the muscles overlaying the base of the skull, and then an incision made through the atlanto-occipital membrane. The coordinates for the RVLM injections (1.0 mm rostral and 1.8 mm lateral to the calamus scriptorius; 3.5–3.7 mm ventral to the dorsal surface of the medulla) corresponded to those located approximately caudally to the caudal pole of the facial nuclei. For injections to the MLR (8.0 mm caudal, 2.0 mm lateral, and 6.3–6.9 mm ventral to the bregma), the skull was exposed by a midline incision of the skin and two burr holes were made in the skull. The solutions injected into the brain were as follows: Alexa-555-conjugated CTb (1.0 mg/1 mL PBS, C34776, Thermo Fisher Scientific) (23.0 nL × 4, RVLM), AAV-CMV-ChIEF-tdTomato (46.0 nL × 4, MLR), AAV-CMV-palGFP (46.0 nL × 4, MLR), AAV-Ef1α-DIO-iChloC-mCherry (46.0 nL × 4, MLR), AAV- Ef1α-DIO-EYFP (46.0 nL × 4, MLR), AAV-Ef1α-DIO-ChR2-eYFP (46.0 nL × 4, MLR), a mixture of AAV-Ef1α-DIO-ChR2-eYFP and AAV-Ef1α-DIO-iChloC-mCherry (1:1, 46.0 nL × 4, MLR), AAVrg-hsyn-EGFP (23.0 nL × 3, RVLM), AAVrg-Syn-ChR2(H134R)-GFP (23.0 nL x 3, RVLM), and AAVrg-pgk-Cre (23.0 nL × 3, RVLM). After injections, the micropipette remained inserted for 5 min before it was withdrawn./p> 1 s after optogenetic interventions (e.g., Fig. 4f), the data were included in the analyses. In each rat on an experimental day, 2–6 trials were conducted in random order, and intervals of at least 10 min were allowed between trials. Experimental days were at least 2 days apart./p>9 weeks old), these rats received bilateral injections into the MLR with AAV-Ef1α-DIO-iChloC-mCherry or AAV-Ef1a-DIO-EYFP and into the RVLM with AAVrg-pgk-Cre, and they were implanted with fiber-optic cannulas and a telemetry transmitter (as described above). The experiment was conducted during the dark phase. On the experimental day, the fiber-optic cannulas were connected to the laser via the patch cords and rotary joint, and the power output for MLR illumination was preset at 10 mW./p>