纽约大学Langone医学中心的科学家揭示了呼吸神经元回路建立所需的两个关键基因。这项研究作为封面文章，发表在《自然·神经科学》十二月刊上。这一发现将有助于治疗脊髓损伤和肌萎缩侧索硬化症（ALS）等神经退行性疾病。ALS会逐渐杀死控制呼吸、移动和进食等肌肉运动的神经元。研究人员发现的两个关键基因是一类特殊神经细胞——膈运动柱（phrenic motor column, PMC）的分子代码。
“如果脊柱中PMC区域受伤，就会立刻导致呼吸停止。”领导该研究的生理学和神经科学助理教授Jeremy Dasen说。PMC神经细胞“可能是我们体内最重要的运动神经元”。不过，迄今为止人们并不了解PMC神经元与其他神经元的区别，对其发育机制也所知甚少。PMC细胞将恒流电化学信号从轴突传到膈肌，控制肺部以呼吸的自然节律进行扩张和松弛。“现在我们知道PMC细胞与其他运动神经元的区别，就可以进行深入研究，寻找能够选择性增强PMC细胞活性的途径，”Dasen博士说。PMC神经元退化是ALS和脊髓损伤患者的主要死因。
在这项为期三年的研究中，研究人员为了区分PMC神经元，向膈神经注射了反向示踪的荧光物质，随后观察脊髓中发荧光的神经元。他们构建了特殊的转基因小鼠，在小鼠运动神经元及其轴突中表达绿色荧光蛋白（GFP），以此观察膈神经。经过一系列实验，研究人员不仅标注了PMC神经元的特征性基因表达模式，还解析了基因的功能。研究显示，Hoxa5和Hoxc5这两个基因是控制PMC正确发育的主要因素。Hox基因本是动物发育过程中著名的调控因子。研究人员在小鼠胚胎的运动神经元中沉默了Hoxa5和Hoxc5，发现PMC不能形成正常组织形式，也不能与膈肌正确连接，导致新生动物无法呼吸。
“在胎儿发育后期删除这些基因，PMC神经元的数量也会下降，膈肌上无法形成足够的膈神经，”Dasen博士说。Dasen博士计划在这一发现的基础上对更广泛的呼吸回路进行研究，包括脑干中负责生成节律的神经元，这些神经元会对二氧化碳水平、压力等其他环境因子进行应答。“了解了PMC细胞之后，我们就可以顺藤摸瓜去解析更广泛的呼吸回路，尝试理清所有呼吸相关的网络，”他说。研究人员指出，了解呼吸网络的作用机制，将有助于治疗呼吸相关疾病。