Nat Commun：为什么运动后气喘吁吁？科学家揭示跑步时呼吸急促的两条神经环路

运动后呼吸频率加快是满足机体能量代谢的需要。在哺乳动物中，呼吸节律是由延髓腹内侧的前包钦格复合体（preB？tC）和面神经核旁呼吸组（pF）神经元驱动的。pF脑区的斜方体后核（ RTN）是中枢呼吸核团中关键的二氧化碳（CO2）化学感受器，监测体内CO2/H+变化调节呼吸的深度和速度，主要表达转录因子 Phox2b 和 Atoh1。

中脑运动区(MLR)是位于大脑中脑的一个区域，主要调控运动，与preB？tC存在投射联系。MLR可分为两个亚区：谷氨酸能(Glut+)神经元的楔形核(CnF)和同时含有Glut+和胆碱能神经元的桥脚核(PPN)。有意思的是，MLR也参与上调呼吸活动。

2023年5月22日 法国国家科学研究中心Julien Bouvier研究团队在Nature Communications杂志上发表文章揭示了运动后呼吸加快的神经环路机制。

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CnF-preB？tC兴奋性环路调节呼吸与运动的协同作用

研究人员在Vglut2-Cre工具小鼠CnF脑区注射顺行示踪病毒，preBtC区域存在较多的投射纤维，在pF区域的投射纤维很稀疏。逆行示踪实验也进一步证实了上述结果。在光激活CnF-preBtC兴奋性环路后可促进吸气爆发，并能缩短呼吸周期。

通过进一步的实验发现15HZ激活CnF-preBtC环路可显着促进小鼠向前运动，但不影响理毛等其他行为，与此同时小鼠呼吸速率也增加，这就表明该环路调节呼吸与运动的协同作用。

图1：病毒示踪实验揭示CnF-preBtc兴奋性环路

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脊髓-pF环路通过Phox2b/Atoh1神经元调控运动和呼吸活动

研究人员进一步通过病毒示踪实验发现腰椎脊髓（L2）区域兴奋性神经元投射到pF区域，在preBtC区域几乎没有观察到绿色投射纤维。体外新生儿脑干-脊髓培养实验发现NDMA 和 5-HT可促进运动样的同时增加呼吸样活动，在截断脊髓或者截断pF或抑制RTN脑区Phox2b/Atoh1神经元活性后可阻断呼吸频率的增加，这就表明脊髓-pF环路通过RTN脑区Phox2b/Atoh1神经元调控运动和呼吸活动。

图2.脊髓-pF环路通过Phox2b/Atoh1神经元调控运动和呼吸活动

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RTN-Phox2b/Atoh1→preBtC环路调控呼吸

为进一步证实RTN脑区Phox2b/Atoh1神经元调控运动中的呼吸活动，在休息状态下化学抑制该类型神经元后并不影响呼吸活动，但在运动过程中抑制该神经元后可明显减弱小鼠呼吸频率。

病毒示踪实验发现RTN脑区Phox2b/Atoh1神经元主要投射到preBtC区域，光激活该环路后也可引起异位吸气爆发，并缩短呼吸周期，这种上调呼吸节律的作用比激活CnF兴奋性神经元出现的更早一些，这就表明RTN脑区Phox2b/Atoh1神经元可通过preB？tC呼吸中枢上调呼吸节律。

图3：抑制RTN脑区Phox2b/Atoh1神经元减弱运动引起呼吸节律增加

总结

本文揭示了运动后呼吸活动增强的两条神经环路，其中一条为CnF兴奋性神经元投射到呼吸中枢preB？tC的直接通路，另外一条是脊髓兴奋性神经元投射到pF，并进一步通过RTN-Phox2b/Atoh1神经元投射到preBtC的间接通路。

原始出处：

Hérent， C.， Diem， S.， Usseglio， G. et al. Upregulation of breathing rate during running exercise by central locomotor circuits in mice. Nat Commun 14， 2939 (2023). https：//doi.org/10.1038/s41467-023-38583-6.