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身体怎样退热:脑干为少生热、多散热分工

Science advances · 2020-09-02

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Science advances · 研究前沿

身体怎样退热:脑干为少生热、多散热分工

小鼠脑桥臂旁核中,两类细胞共同抵御升温,却分别偏向压低棕色脂肪产热与增加尾部散热。

AI科研概念插画:小鼠身体的蓝色光意象与尾部暖色散热意象,表现减少产热和增加散热的分工,非实验数据

天气变热,身体既要关小内部“暖炉”,也要打开散热通道。这两件事由大脑统一发号施令,还是在信息传递途中就已分工?2020年9月2日发表于 Science Advances 的小鼠研究,把目光投向脑干的外侧臂旁核(LPB)。研究发现,通向下丘脑视前区的两类细胞,都能帮助体温下降,却分别牵动不同的降温环节,让看似整齐的体温数字背后,显出精细的神经分工。

关键发现

Pdyn标记的LPB输入偏向抑制棕色脂肪产热,CCK标记的输入则促进尾部散热;两群细胞也影响寒战,形成有分工又有交汇的热防御。

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降温有两只手:少造热,多放热

哺乳动物的体温并不是环境温度的简单倒影。棕色脂肪能够消耗能量产生热量,皮肤血流则帮助热量离开身体。对小鼠而言,尾巴是重要的散热部位。环境升温时,尾部温度上升,同时棕色脂肪的产热受到抑制,身体从供暖转向防热。

LPB把身体的温度信息送往视前区。增强其中通向腹内侧视前区(VMPO)的谷氨酸能输入,能够同时降低核心与棕色脂肪温度、升高尾部温度。几种变化一起出现,提出了一个问题:同一条大路上,是否已经有通往不同降温任务的车道?

原论文图 1降温有两只手:少造热,多放热
降温有两只手:少造热,多放热
Figure 1:环境升温与LPB至视前区输入增强,伴随核心、棕色脂肪和尾部温度的不同变化。
来源:Yang WZ et al. · Science advances · CC BY-NC
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两群细胞,都能听见温暖

团队找到分别带有Pdyn和CCK分子标记的两群LPB细胞。它们大多属于谷氨酸能细胞,彼此重叠较少。温暖会招募这两群细胞,但招募方式并不相同:随着热刺激增强,CCK群体在热响应细胞中的占比进一步增加。

钙信号记录进一步显示,两群细胞及其通向VMPO的末梢都响应温暖,响应也随温暖程度增强。Pdyn胞体还对降温出现短暂的小幅响应,而其VMPO末梢的降温响应不显著。温度信息到达不同位置时,已经带有群体与投射的差别。

原论文图 3两群细胞,都能听见温暖
两群细胞,都能听见温暖
Figure 3:Pdyn和CCK群体及其VMPO投射的温暖相关钙信号;Pdyn胞体与投射末梢对降温的响应有所不同。
来源:Yang WZ et al. · Science advances · CC BY-NC
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通向同一区域,承担不同工作

两群细胞都与VMPO建立直接兴奋性联系,增强各自的VMPO输入,也都能让核心体温下降。不过,通往背内侧下丘脑的对应输入,在受测条件下未显著改变核心体温。降温效应与信号抵达的位置有关。

单看体温下降,两条输入似乎完成同一件事。接下来同时观察棕色脂肪、尾部和寒战,才显出它们各自偏重的环节。体温计显示的是总账,器官的变化则揭示了这笔热量是怎样省下或散掉的。

原论文图 4通向同一区域,承担不同工作
通向同一区域,承担不同工作
Figure 4:两类LPB细胞与VMPO的兴奋性联系,以及增强不同投射输入后的核心体温变化。
来源:Yang WZ et al. · Science advances · CC BY-NC
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Pdyn这一支,先关小棕色脂肪暖炉

增强Pdyn标记的LPB至VMPO输入后,棕色脂肪温度先于核心体温下降,而且下降更快、更明显;尾部温度没有显著升高。这种先后顺序与减少内部产热相吻合。寒战也部分减弱,使身体少了一项额外的热源。

当棕色脂肪失去交感神经支配,这条输入带来的降温效应消失;压低视前区谷氨酸能群体活动,也使核心与棕色脂肪的温度下降消失。几项结果把这支输入与视前区调控的棕色脂肪产热联系起来。

原论文图 5Pdyn这一支,先关小棕色脂肪暖炉
Pdyn这一支,先关小棕色脂肪暖炉
Figure 5:Pdyn至VMPO输入使棕色脂肪先降温,尾温未显著增加;棕色脂肪交感神经支配与视前区群体活动参与该效应。
来源:Yang WZ et al. · Science advances · CC BY-NC
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CCK这一支,让尾巴成为散热出口

CCK标记的输入呈现另一番景象:尾部明显升温,核心体温下降,寒战也受到抑制。棕色脂肪温度虽然同样下降,时间却与核心体温接近,更像是跟随全身降温,而不是率先关掉产热。

即使棕色脂肪失去交感神经支配,CCK输入仍能降温。这与Pdyn输入形成鲜明对照:一支主要减少热量生产,一支偏向增加热量流出。两者都能压低寒战,又说明这些降温任务并非完全彼此隔绝。

原论文图 6CCK这一支,让尾巴成为散热出口
CCK这一支,让尾巴成为散热出口
Figure 6:CCK至VMPO输入增加尾温并抑制寒战;棕色脂肪温度随核心体温下降,其交感神经支配并非该降温效应所必需。
来源:Yang WZ et al. · Science advances · CC BY-NC
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缺少这条产热刹车,温暖环境更难应付

研究随后降低投向视前区的Pdyn细胞活动。处于温暖环境时,小鼠核心体温和能量消耗增加,棕色脂肪温度也升高;寒冷环境下的核心体温则没有显著变化。活动量在受测环境中基本稳定,热量变化因而并非伴随普遍的运动增加。

到了温暖阶段后期,尾部温度也有所升高,可能是身体面对更高核心体温作出的补偿。身体仍在努力散热,却难以抵消产热刹车失灵后的负担。这使Pdyn群体的作用从“能够降温”延伸到日常热防御中的实际贡献。

原论文图 7缺少这条产热刹车,温暖环境更难应付
缺少这条产热刹车,温暖环境更难应付
Figure 7:降低视前区投射相关Pdyn细胞活动,温暖环境中的核心体温、产热相关指标和能量消耗增加,寒冷环境核心体温及活动量无显著变化。
来源:Yang WZ et al. · Science advances · CC BY-NC
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两条降温路线,连接体温与能量收支

降低视前区投射相关CCK细胞活动后,尾部升温延迟,小鼠在温暖环境中更容易积热;寒冷环境的核心体温仍无显著变化。相同群体活动降低还加重了炎症性发热,显示散热这一端的调节也影响发热幅度。

另一组范围更广的Pdyn群体实验,把产热分工接到了能量收支:降低该群体活动后,能量消耗增加,高脂饮食期间体重增长减少,而进食量和活动量未显著变化。两群细胞的分子标记提示了分工,具体肽信号和下游细胞怎样接力仍待厘清。这些小鼠结果让体温调节呈现为多部件协作,也把热防御与代谢之间的联系变得具体。

原论文图 8两条降温路线,连接体温与能量收支
两条降温路线,连接体温与能量收支
Figure 8:视前区投射相关CCK细胞活动降低后,尾部升温延迟、温暖环境核心体温及炎症性发热增加;末尾示意总结作者提出的热防御分工模型。
来源:Yang WZ et al. · Science advances · CC BY-NC
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论文信息

Yang WZ, Du X, Zhang W, Gao C, Xie H, Xiao Y, Jia X, Liu J, Xu J, Fu X, Tu H, Fu X, Ni X, He M, Yang J, Wang H, Yang H, Xu XH, Shen WL.
Parabrachial neuron types categorically encode thermoregulation variables during heat defense
Science advances · 2020-09-02
DOI: 10.1126/sciadv.abb9414