NeuroSci丨后岛叶皮层调控进食诱发的空肠肌电活动

在食物消化过程中，胃肠道展现出协调的肌肉运动，这一过程受到中枢神经系统的自主控制调节。岛叶皮质是可能调控肌肉运动的大脑区域之一。

基于此，2024年6月26日日本东北大学药理学系Nahoko Kuga研究团队在Neuroscience杂志发表了“The posterior insular cortex is necessary for feeding-induced jejunal myoelectrical activity in male rats”揭示了后岛叶皮层对于雄性大鼠进食诱导的空肠肌电活动是必需的。

研究发现，喂食会引起回肠肌电信号幅度的增加。而进行迷走神经切断术和药物抑制后岛叶皮质后部后，这种回肠肌电信号的增强效应被消除。此外，喂食还导致交感神经活动减少和副交感神经活动增加，这两种自主神经系统活性的变化在抑制岛叶皮质后部后也不复存在。这些结果提示，岛叶皮质的后部通过调节自主神经张力来响应喂食行为，从而调控回肠的运动。

图一 肠电图（entero-electromyography，EMG）记录

后岛叶皮层对于雄性大鼠进食诱导的空肠肌电活动是必要的,在雄性大鼠中，后岛叶皮层（posterior insular cortex）这一大脑区域对于由进食引发的空肠（jejunum，小肠的一部分）肌肉电活动具有不可或缺的作用。通过将定制的电极缝合到空肠的浆膜上，记录了肠电图(entero-EMG)信号。这些肠电图信号表现出有节奏的振荡，代表了胃肠肌电活动的基本成分。对肠电图信号进行快速傅里叶变换，识别出功率最大的频率，从而定义了肠电图信号的峰值幅度(amp)和峰值频率(freq)。阿托品（一种毒蕈碱型乙酰胆碱受体拮抗剂）和维拉帕米（一种T型钙通道阻断剂）大大减弱了肠电图信号的峰值幅度。刺激右侧颈迷走神经（包括到胃肠道的副交感神经），显著增加了峰值幅度。这些结果确认了肠电图信号受到副交感神经传递的调节。在这些条件下，测试了喂食对未处理大鼠肠电图信号的影响。喂食后，肠电图信号的峰值幅度相比于喂食前有所增强。特别是，在喂食后20-40分钟期间，峰值幅度显著增加，而峰值频率在整个喂食后期间保持不变。为了评估迷走神经在肠电图信号中的作用，作者在进行了迷走神经切断术的大鼠中进行了肠电图记录，即切断了右侧颈迷走神经。在没有喂食的期间，迷走神经切断后肠电图信号的峰值幅度和频率保持不变。在迷走神经切断的大鼠中，喂食前后时期的峰值幅度和频率没有检测到差异。这些结果提示，喂食引起的空肠运动增强是由迷走神经介导的。

图二 抑制后侧岛叶（IC）可以抑制进食引起的空肠肌电活动增加

为了探究IC是否调控肠电肌电图信号，作者首先测试了IC电刺激对肠电肌电图信号的影响。IC的刺激显著增强了肠电肌电图信号的峰值振幅，这证明了IC神经元的激活足以调节肠电肌电活动。接下来，为了研究IC在进食诱导的肠电肌电信号控制中的必要性，在投喂前后记录肠电肌电图信号的同时，通过局部注射GABAA受体激动剂muscimol来抑制后岛叶皮质的活动。为了验证后岛叶皮质抑制对进食诱导的胃肠动力的整体影响，作者让大鼠食用染有伊文思蓝染料的颗粒，并评估这些颗粒在胃肠道中推进的程度。所有注入PBS的大鼠测试中，标记的颗粒在进食后30分钟内到达盲肠。相比之下，注入muscimol的大鼠中，标记的颗粒停留在回肠中。随后，考察了IC抑制对进食诱导的肠电肌电信号的影响。注入PBS的大鼠在进食后20至40分钟期间，肠电肌电图信号的峰值振幅显著增加。而在muscimol注入的大鼠中，未观察到显著增加。肠电肌电信号的峰值频率在PBS和muscimol注入的大鼠中，在所有测试时段均保持不变。胃肠道运动的变化可能与运动活动有关。为验证这一可能性，作者分析了颈部肌电图信号，发现无论是在PBS还是muscimol注入的大鼠中，颈部肌电图信号的振幅在所有测试时段均无显著变化。这些结果证实，进食引起的胃肠道运动增加以及muscimol对此影响并非由运动活动改变所导致。这些结果表明后岛叶皮质对于进食诱导的小肠肌电活动增加是必要的。

图三 抑制后岛叶皮质活动可以抑制进食引起的自主神经活动变化

为了进一步探究IC依赖的进食诱导的肠电图信号变化是否与自主神经系统相关，作者从肠电图记录中提取了心电图（ECG）信号，采用3.0–100 Hz的带通滤波，并检测到了心跳信号。结果发现，进食后的心率都保持不变。从一系列R-R间期计算得到的功率谱密度包含两个主要的功率成分：低频（LF）范围在0.04–1.0 Hz，高频（HF）范围在1.0–3.0 Hz。LF与HF功率的比值（LF/HF比值）作为交感神经活动的指标，而HF功率则作为副交感神经活动的指标。在PBS处理的大鼠中，LF/HF比值在进食后20–40分钟期间明显降低，而HF功率显著增加。而在muscimol处理的大鼠中，未观察到明显变化。这些结果表明，后岛叶皮质活动介导了进食引起的自主张力的变化。后岛叶皮层在这个过程中起到了桥梁的作用，它能够感知进食行为并相应地调节自主神经系统的活动状态，包括但不限于控制消化系统的功能，如肠道蠕动、分泌等，以适应进食带来的生理需求。

总结

通过自由活动的大鼠获取了进食反应下的肠电图信号。总的来说，进食增加了肠电图信号的峰值振幅，而不会改变峰值频率。通过切断迷走神经和药物抑制后岛叶皮层后，进食引起的肠电图信号振幅增加被消除。此外，后岛叶皮层的抑制还消除了心电图信号中由进食引起的LF/HF比率和高频功率的变化，这些分别代表着交感神经和副交感神经活动的改变。这些结果提示，后岛叶皮层通过调节自主神经张力来响应进食，从而调节空肠的运动。该研究揭示了后岛叶皮层在调控进食行为与肠道动力反应之间的联系，强调了其在整合自主神经系统活动、介导肠道对食物摄入反应中的关键作用。这一发现为理解大脑与内脏器官间的相互作用机制提供了新视角，对于未来治疗涉及肠道功能障碍和自主神经调节失衡的相关疾病具有潜在的应用价值。

文章来源

https://doi.org/10.1016/j.neuroscience.2024.06.025

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