出産時のリズミカルな呼吸を「ジャンプスタート」する方法

出産時のリズミカルな呼吸を「ジャンプスタート」する方法

Anonim

一般的な表現は、「簡単な呼吸」であり、本当に誤解を招きます。 呼吸は、より高い脊椎動物によって行われるので、多くのタイプのニューロンを含む複雑な生物学的機能である。 筋肉の動きを制御するために、血液および運動ニューロンの酸素および二酸化炭素レベルを感知するために化学感覚ニューロンが必要である。 それはまた、出生時に正しい呼吸リズムを確立し、その後人生を通してそれを維持するために特別なニューロンを必要とする。 これらの多様な群のニューロンの作用が細かく調整され、正確な呼吸リズムを生成する機構は、依然として謎のままである。

Huda Zoghbi博士と彼女の研究チームは、Baylor College of Medicineの研究室で、この精巧な生物学的交響曲の「指揮者」として後脳に2つの神経系統を発見しました。 彼らは、新生児の生存に特に重要な最適な呼吸リズムを確立して維持するために、様々な化学センサから得られた感覚情報を中央呼吸回路のリズム形成ニューロンに調整し中継する。

「酸素や二酸化炭素のレベルの変化に応じて呼吸リズムを調節する能力は、ヒトや他の動物の生存に不可欠です」とゾービは分子生物学の教授であり、ベイラーの小児科や神経科学の教授であり、テキサス子供病院のJanとDan Duncan神経学研究所のディレクター。 「開発中、ほとんどのハードワイヤード回路は子宮内で練習し、フィードバックを受けて活動を微調整することができます」

しかし、呼吸に関与するニューロン回路は、事前の練習なしに、正確に配線され、出生時に完璧に動作する準備ができていなければならない。 さらに、酸素レベルが低い(高所または運動中)、または二酸化炭素が蓄積する(慢性閉塞性肺疾患、喘息および睡眠時無呼吸において)ような人生の後の難しい条件の下では、神経回路は迅速に補償しなければならない呼吸をより深くかつより速くすることによって。

転写因子を介したマスター調節遺伝子は、ニューロン集団の発達を監督し、それらの間の迅速な反応を調整する。 これらの遺伝子は、脳神経呼吸回路が構築される遺伝的青写真であるチェッカーボードパターンを形成し、後脳全体を十字架にしている。

「これらの重要な遺伝子がどのように呼吸回路を構築するかを理解すれば、神経呼吸回路がどのように誕生したかについての貴重な洞察を得ることができるだろう」とゾービィ氏はハワードヒューズ医学研究所の捜査官でもある。 さらに、突然の乳児死亡症候群(SIDS)で死亡した早産児や幼児の呼吸困難の原因についての重要な洞察を提供することもできます。

呼吸回路のセットアップ

Atonalホモログ1(Atoh1)はそのような調節遺伝子の1つである。 何十年もの間、Atoh1遺伝子を欠いているマウスが、なぜ出生時に呼吸不全で死亡するのかを理解しようとした。 Atoh1は、後脳の全長に沿って発現され、この脳領域におけるいくつかの神経系統の適切な発生に必要である。

Zoghbi研究室で行われた以前の研究では、Atoh1が後脳の下部に存在するレトロトロピーゾイド核(RTN)から特異的に欠損した場合、マウスは高レベルに応答して呼吸リズムを増強することができなかったしかし、注目すべきことに、このゴミの新生児の一部だけが死亡した。 これは、他のAtoh1発現ニューロンが呼吸に重要な役割を果たしていることを示唆し、他のAtoh1系ニューロンを研究するためにZoghbiラボに動機づけられたことを示唆している。遺伝系統追跡技術を用いて、Zoghbi研究室の大学院生、酸素と二酸化炭素のレベルが変更されたときに、パララクチックな複雑なニューロンが特異的に活性化されることを見出し、ストレスの多い条件下で呼吸を調節する上で重要な役割を果たすかもしれないことを示唆している。

「Atoh1は、PBCニューロンが生まれている上部後脳の一部である上部菱形唇領域から特異的に欠損していた」とvan der Heijdenは述べた。 「新生児期の小傍神経細胞を欠損したマウスは新生児期初期に生存したが、リズムの不規則性や無呼吸などの未熟な呼吸器系のいくつかの特徴を示した。ニューロンは呼吸回路網の適切な成熟のために必要とされる。

研究者は次に、パラベンチアルの複雑なニューロンが感覚情報を中枢呼吸回路に伝達するかどうかを尋ねました。それらは下流のリズム形成ニューロンを活性化するか、または筋肉に直接作用するのですか? 彼らは、Atoh1系統を他の後脳神経細胞と区別して新たに生成されたマウス系統を用いて、リズム形成性ニューロンおよびRTNニューロンと選択的に通信することにより、パララクチック複合ニューロンが間接的に作用すると結論づけた。

さらに、著者らは、未熟児に見られる未熟な呼吸制御の特定の局面を、パラベクラル複合体またはRTNニューロンの異常な発達が再現したことを示した。 これは、これらの系統は異なる感覚手がかりに反応したが、より速い呼吸リズムを媒介するためにはどちらも重要であることを示唆している。 parabrachial complexとRTNニューロンの両方でAtoh1の欠損を併発したマウスは、重度の呼吸障害を有し、出生時に死亡した。 一緒になって、これらの結果は、パラベキャリック複合体およびRTNニューロン細胞タイプは、互いの損失を多少補うことができるが、動物の生存を確実にするために一緒に行動しなければならないことを示した。

この研究に基づいて、著者らは、化学感覚ニューロンによって酸素および二酸化炭素レベルの変化(例えば、出生時または高高度および運動による)が検出され、パラベンチャージ複合体およびRTNニューロンに伝達されるモデルを提案した。 次に、これらのニューロンは、この情報をリズム生成ニューロンに伝達し、運動ニューロンおよび筋肉を活性化し、動物がより多くの酸素を吸入するために迅速かつ深呼吸を行うことを可能にする。

この研究では、未熟児に見られる呼吸異常の潜在的原因と、一見健康な赤ちゃんがSIDSで死亡する理由が示されています。

これら2つのニューロン系統の発達および活性を調節する遺伝子に変異を有する乳児は、出生時に呼吸障害のリスクが増大する可能性が高い。 さらに、これらの新生児の神経呼吸ネットワークは未成熟であるため、環境酸素または二酸化炭素レベルのわずかな変化でさえ致命的となる。

この研究は、機能不全のAtoh1系統がどのように早発性および高リスクの赤ちゃんの呼吸不全に寄与するかをさらに調査する優れた分子標的および細胞標的を提供する。 呼吸器系の重要なノードが頑強な呼吸に不可欠であることを理解することは、医師が新生児の脆弱性を訴えるための重要なステップであり、将来SIDS関連の死亡を防ぐ重要なステップです。

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