如何“启动”有节奏的呼吸在出生时

常见的表达,像呼吸一样简单,真的是误导性的。呼吸,因为它是由高等脊椎动物,是一个复杂的生物功能,包括许多类型的神经元。它需要化学感应的神经细胞血液中氧气和二氧化碳水平和运动神经元控制肌肉运动。还需要专门的神经元在出生时建立正确的呼吸节奏,随后保持它整个的生活。的机制这些不同组神经元精心策划的行动产生精确的呼吸节奏始终是一个谜。

贝勒医学院的实验室,科学家Huda Zoghbi博士和她的同事们发现了两个神经元血统的后脑充当“导体”的精致的生物交响曲。他们协调和继电器的感觉信息从各种化学传感器获得rhythmogenic神经元在中枢呼吸电路建立并维护最佳的呼吸节奏,这尤其对新生儿的生存至关重要。

“调节呼吸节奏的能力以应对变化的氧气和水平二氧化碳对人类和其他动物的生存至关重要,“Zoghbi说,他是分子和人类遗传学教授,儿科和神经学主任贝勒和Jan和丹邓肯神经研究所德克萨斯儿童医院。ob体育开户网址“在开发过程中,大多数的神经回路能够实践在子宫内,根据收到的反馈调整他们的活动。”

神经回路参与呼吸,然而,必须精确地连接并准备执行完美出生时,事先练习。此外,日后在困难的条件下,比如当氧含量很低(在高海拔或在运动中)或者当二氧化碳含量的增加(在慢性阻塞性肺疾病、哮喘和睡眠呼吸暂停),神经回路必须迅速补偿通过呼吸更深,更快。

主监管基因通过转录因子监督神经元群体的发展和协调它们之间做出快速的响应。这些基因整个后脑交错,形成一个棋盘模式,即基因蓝图的神经呼吸电路。

“了解这些关键基因设置呼吸电路可以提供宝贵的见解如何神经呼吸电路是“现在”出生时,“Zoghbi说,他也是霍华德休斯医学研究所研究员。“此外,它还可以提供关键的见解在早产儿呼吸窘迫的原因,婴儿死于婴儿猝死综合症(SIDS)。”

设置呼吸电路

无调性同族体1 (Atoh1)就是这样的一个调节基因。几十年来,科学家们一直试图理解为什么缺乏Atoh1基因的老鼠在出生时死于呼吸衰竭。Atoh1表示沿整个长度的后脑,需要合适的发展几个神经元血统在这个大脑区域。

在Zoghbi实验室进行的一项研究报告说,当Atoh1专门从retrotrapezoid核中删除(研制),一群神经元出现在下方的后脑,老鼠无法应对高水平增强他们的呼吸节奏的二氧化碳,然而,值得注意的是,只有一些新生鼠的垃圾死了。这表明其他Atoh1-expressing神经元必须扮演一个重要的角色在呼吸和促使Zoghbi实验室研究其他Atoh1-lineage神经元。利用基因谱系追踪技术,Meike van der Heijden, Zoghbi研究生在实验室和主要作者,发现parabrachial特别复杂的神经元激活氧气和二氧化碳浓度改变时,暗示他们可能会发挥重要的作用在调节压力条件下呼吸。

“Atoh1是专门从上面的菱形唇删除区域,后脑上,中国人民银行的一部分神经元是天生的,”van der Heijden说。“尽管老鼠缺乏parabrachial复杂神经元存活新生儿期早期,他们表现出几个不成熟的标志呼吸有节奏的违规行为和呼吸暂停等控制。此外,这些老鼠快无法呼吸或更深层次的低氧时。在一起,这个建议parabrachial复杂神经元所需的适当的呼吸系统网络的成熟。”

研究人员接下来问parabrachial复杂的神经元如何交流感官信息中央呼吸circuit-do他们激活下游rhythmogenic神经元或直接作用于肌肉吗?使用一个新生成的鼠标线Atoh1-lineages有别于其他后脑神经元,他们得出结论parabrachial复杂神经元行为间接地通过有选择地与rhythmogenic神经元和神经元研制。

进一步,作者表明,异常parabrachial复杂或研制神经元重现特定方面的发展不成熟的呼吸控制的早产儿。这表明,尽管这些血统回应不同的感官刺激,他们都是中介快呼吸节奏的关键。老鼠总损失Atoh1 parabrachial复杂和研制神经元有严重呼吸困难和出生时死亡。在一起,这些结果表明,尽管parabrachial复杂、研制神经元细胞类型可以一定程度上弥补的损失,他们必须一起行动,以确保动物的生存。

基于这项研究,作者提出了一个模型,氧气和二氧化碳浓度的变化(例如,在出生或由于高海拔和运动)被化学感应的神经元和传播到parabrachial复杂和研制神经元。反过来,这些神经元rhythmogenic传递这一信息神经元,激活运动神经元和肌肉,让动物做快速和深呼吸吸入更多的氧气。

这项研究提供了一个在早产儿呼吸异常的潜在原因,为什么看似健康的宝宝死于SIDS。

婴儿携带突变基因调节的发展和活动这两种神经元的血统很可能会在出生时呼吸道疾病的风险增加。此外,由于神经网络在这些新生儿呼吸会不成熟,即使是很小的变化环境氧气或者二氧化碳水平将是致命的。

这项研究提供了优秀的分子和细胞的目标进一步研究如何失调Atoh1-lineages早产儿和高危婴儿可能导致呼吸衰竭。理解呼吸网络中的关键节点,是健壮的呼吸的关键是医生了解贡献的关键一步呼吸在新生儿和漏洞,以防止将来SIDS-related死亡。

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