新型成像技術“刀形掃描顯微鏡”（Knife-Edge Scanning Microscopy，KSEM）可深入探索神經元在心臟病發作和其它疾病中的作用。

3D重建的雄性小白鼠心臟

據麥姆斯咨詢報道，大腦通過復雜的神經網絡來維持人心臟的正常功能。當兩者其中的連接中斷時，可能會導致心臟疾病，包括心臟病、心源性猝死和血液供應不足等問題。

作為額外的安全層，心臟擁有自己的“小型大腦”，稱為心內神經系統（intracardiac nervous system，ICN），它可以參與心功能的中樞調節，及外周短程反射環路和心內局部反射環路的構成。ICN甚至可以在心臟病發作時保護心肌。

一直以來由于神經元的組織結構和位置都不了解，因此ICN是如何發揮這些作用的還無從得知。但近日在Cell子刊iScience上發表的一項研究中，位于賓夕法尼亞州費城（Philadelphia， PA）的托馬斯·杰斐遜大學（Thomas Jefferson University）的研究人員已能夠詳細回答這些問題了。

“在神經學和心臟病學之間，我們對于ICN的理解還存在很大的空白。”該研究的共同通訊作者、Daniel Baugh Institute（DBI）功能基因組學和計算生物學研究所所長James Schwaber博士說道。

“目前人類器官中唯一一個擁有如此詳細的高分辨率3D圖譜的是大腦。”該研究的共同通訊作者，病理學、細胞生物學和解剖學教授Raj Vadigepalli博士評論說道，“我們創建了首個全面的心臟神經系統路線圖，其他研究人員可以參考該路線圖，解決有關ICN中不同神經元的功能、生理機能和連接性等一系列問題。”

該研究借鑒了來自不同研究小組（杰斐遜和中佛羅里達大學）以及行業合作伙伴Strateos和MBF Bioscience的相關技術和專業知識，最終開創出一條雙途徑方法。

創新型成像技術

其中利用了一種被稱為“刀形掃描顯微鏡”（KSEM）的新型成像技術，研究人員能夠憑借該技術構建整個嚙齒類動物心臟的精準3D模型。這是該技術首次用于心臟研究。

第二種方法是利用了一種稱為激光捕獲顯微切割（Laser Capture Microdissection，LCM）的技術，對單個神經元進行采樣以進行基因表達分析，并精確地繪制其在心臟3D結構內的位置。

通過這種方式繪制的3D圖譜揭示了迄今為止未知的ICN的復雜特性。研究人員發現，組成ICN的神經元位于心臟底部（頂部）一連串的集群中，即心臟的靜脈和動脈進出的地方，但也會延伸到心臟后部的左心房處。

3D圖譜揭示了迄今為止未知的ICN的復雜特性

共同作者Jonathan Gorky是一名剛畢業的醫學博士，現為麻省總醫院（Massachusetts General Hospital）的一名住院醫師，他說道：“一直以來神經元的集聚是我們一直懷疑但從未確定的事情，如今看到ICN功能的物理證據和神經元的精確分布，太令人興奮了！”

單一神經元的基因表達分析也指出了此前未知的分子身份或表型的多樣性。“我們發現了多種不同類型的神經調節因子和受體。”Vadigepalli博士說道，“我們的心臟不僅有能夠開啟或關閉活性的神經元，還存在能調節ICN活性的神經元。”

性別差異

在比較雄性和雌性小白鼠心臟時，研究人員還發現神經元的組織方式存在性別差異。共同作者Alison Moss、生物化學和分子藥理學博士研究生以及高級研究助理Shaina Robbins目前正根據這些發現進行進一步的分析。

“這有利于幫助我們解釋男性和女性在心臟病患病上的某些差異。”Moss說道，“我們現在正在嘗試創建豬心臟內在神經系統的3D模型（因為其在解剖學上更接近人類心臟），以進一步探究相關問題。”

該項目是NIH（National Institutes of Health，美國國立衛生研究院）研究計劃的一部分，該計劃命名為“神經刺激療法（Stimulating Peripheral Activity to Relieve Conditions）”，即SPARC，旨在促進治療設備的開發，調節機體神經電活性來改善器官的功能。“最終希望是為人類心臟在健康和疾病方面創建3D圖譜。”Schwaber博士總結說道，“同時也為后期更為深入的研究奠定了基礎。”
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