肠道神经科学新突破：活体自由活动动物肠道神经元活动的在体记录技术

《TRENDS IN Neurosciences》：Enteric neuroscience on the move: recording from the gut in vivo

本研究针对肠道神经系统（ENS）在体电生理记录的技术难题，开发了一种新型柔性生物电子植入装置，成功实现了自由活动啮齿类动物ENS神经元活动的长期稳定记录，为揭示"第二大脑"的功能机制提供了重要工具。

　　

在我们身体的消化系统中，隐藏着一个被称为"第二大脑"的复杂网络——肠道神经系统（Enteric Nervous System，ENS）。这个由数百万神经元和胶质细胞组成的精密系统，独立于大脑之外，却掌管着胃肠道的众多关键功能，从食物推进的节律性收缩到局部血流调节，无不体现其重要性。然而，尽管过去十年肠道健康研究蓬勃发展，科学家们对ENS基本功能的了解仍然有限，其中一个重要瓶颈就是缺乏能够在活体、自由活动动物中记录ENS电生理活动的有效技术。

传统的ENS研究方法面临着巨大挑战。一方面，肠道神经元分布相对稀疏，不像大脑中神经元那样密集排列；另一方面，肠道本身持续不断的蠕动运动使得记录设备难以保持稳定的接触界面。更复杂的是，ENS神经元组织成神经节（ganglia）结构，这些离散的细胞群通过投射纤维形成贯穿整个胃肠道的互联网络。在啮齿类等小动物模型中，存在两层神经丛：位于平滑肌层之间的肌间神经丛（myenteric plexus）和位于黏膜与肌肉之间的黏膜下神经丛（submucous plexus）。以往的技术要么只能记录胃肠动力这一间接指标，如X射线、计算机断层扫描和磁共振成像，要么局限于麻醉状态下动物的急性记录，无法反映自然状态下ENS的真实活动模式。

在这一背景下，Boys和Güemes等研究人员在《TRENDS IN Neurosciences》上发表了一项突破性研究，他们开发了一种新型生物电子植入装置，首次实现了在自由活动动物体内长期记录ENS神经元电活动的目标。这项技术的出现，为揭开"第二大脑"的运作机制提供了前所未有的窗口。

关键技术方法

研究团队设计了一种基于柔性基底的微型生物电子植入物，采用四极阵列（tetrode array）金电极配置，通过腹腔镜手术植入大鼠结肠外部平滑肌层和黏膜下层之间。该装置通过皮下连接至肩部连接器，并与采集系统相连，允许进行长达两周的连续记录。研究人员通过高频活动特征识别神经元信号，并在不同实验条件下记录响应，包括肠壁机械拉伸和药物刺激。

装置设计与验证

研究人员构建的植入式装置采用柔性材料制成，尺寸精巧，能够适应肠道的动态环境。电极阵列的特殊设计——将绝缘背衬朝向肌肉层——使得研究人员能够特异性地记录黏膜下神经丛的电活动。在麻醉状态下的大鼠中进行的初步研究不仅验证了装置的可靠性，还意外地揭示了不同麻醉剂（如异氟烷和乌拉坦）对ENS活动的显著影响，这一发现提醒我们在解释麻醉动物实验数据时需要格外谨慎。

自由活动动物记录

研究最具创新性的部分在于成功实现了自由活动动物的长期记录。通过精巧的外科手术植入和稳定的连接系统，研究人员能够连续监测动物在自然状态下的ENS活动。特别值得注意的是，他们记录了动物在摄入喜爱的食物（Nutella）前、中、后的神经元活动变化，这为了解ENS在正常摄食行为中的动态响应提供了宝贵数据。尽管单个神经元活动的身份确认仍需通过细胞内电生理或钙成像/电压敏感染料成像等技术进一步验证，但这一系统无疑开辟了研究ENS功能的新途径。

与传统技术的比较

与先前发展的多电极细胞外阵列相比，新装置的突出优势在于能够在自由活动动物中进行长期记录。虽然早期技术在概念上相似，但仅限于麻醉动物的急性实验，无法捕捉自然状态下的动态过程。另一方面，活体钙成像或电压敏感染料成像虽然能提供高空间分辨率，但要求动物保持静止，限制了其对自然状态下ENS功能的研究。此外，这些成像技术还需要通过转基因动物或病毒转导对目标细胞进行荧光标记，增加了实验复杂性。

技术局限与未来方向

尽管这一新技术代表了方法学上的重要进步，但仍存在一些挑战需要克服。ENS由众多相互重叠和互连的回路组成，每个回路中包含感觉神经元、中间神经元和运动神经元之间的信息传递。虽然通过单细胞测序等技术，基于神经递质-受体配对的神经元连接已被识别，神经元在神经节内的定位及其与下游细胞的连接也得到广泛绘图，但各个回路如何相互连接并在整个胃肠道中整合以协调控制肠道运动等功能，仍知之甚少。

未来技术的发展方向包括同时记录大量神经元活动并识别单个细胞的位置和时间特性，以及将记录范围扩展到主要控制肠道运动的肌间神经丛。目前Boys和Güemes等的装置主要记录黏膜下神经丛，以减少肠道平滑肌细胞电信号的干扰，而适应肌间神经丛记录将是重要的下一步。

跨物种应用前景

研究人员已经开发了不同尺寸的装置版本，分别在猪和小鼠中进行了评估，这表明该技术具有广泛的物种适用性。这种跨物种应用的潜力使得从动物模型到人类临床研究的转化成为可能，为理解ENS在健康和疾病中的作用开辟了新途径。

研究意义与展望

这项研究引入的工具不仅为ENS基础研究提供了强大手段，更对理解多种胃肠疾病和脑肠轴相关 disorders 具有重要意义。随着技术的进一步完善和应用，我们有望更深入地了解这个"第二大脑"如何"思考"和运作，最终为胃肠功能紊乱和相关神经系统疾病的治疗提供新思路。

Boys和Güemes等的研究标志着肠道神经科学研究进入了一个新阶段，他们的创新装置为探索ENS这一复杂系统的动态功能提供了前所未有的机会。随着这一工具的广泛应用和持续优化，我们正逐步揭开隐藏在消化系统中的"第二大脑"的神秘面纱，这对于理解人体生理功能和开发新的治疗策略都具有深远影响。