《Brain Research》：Synaptic function of descending projections from the insular cortex to the nucleus solitary tract in the rat
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本研究利用AAV5转导的ChR2光遗传学方法，在谷氨酸能和GABA能神经元中探讨内侧颞叶皮层（IC）至孤束核头端（rNST）的突触连接机制。发现IC投射通过兴奋性突触增强rNST神经元活动，而抑制性神经元间突触连接存在高失败率，提示IC通过兴奋性途径主导调控rNST功能。
作者：Wakabayashi Ami、Nakaya Yuka、Yamamoto Kiyofumi、Tsutsumi Yumi、Sato Fumihiko、Yoshida Atsushi、Kikuiri Takashi、Kobayashi Masayuki
日本东京千代田区神田须贺台1-8-13，日本大学牙科学院药理学系
摘要
孤束核（solitary tract nucleus, rNST）的头部通过面神经、舌咽神经和迷走神经接收味觉输入。除了这些上行通路外，rNST还接收来自更高脑区的下行投射，包括岛叶皮层（insula cortex, IC）。位于大脑中动脉（middle cerebral artery, MCA）周围的非颗粒区和颗粒区（dysgranular and granular IC）的神经元会对味觉刺激作出反应；因此，认为IC向rNST的下行投射调节着味觉信息处理。然而，关于IC输入如何在突触水平上调节rNST神经元活动（rNST神经元包含谷氨酸能和GABA能神经元）知之甚少。在本研究中，我们使用携带囊泡GABA转运蛋白-Venus的转基因大鼠，检测了IC→rNST投射在谷氨酸能和GABA能神经元中的突触强度。首先确认了MCA周围的IC亚区（味觉信息汇聚的区域）会向rNST投射轴突。全细胞膜片钳记录显示，rNST神经元可分为三类：规律放电型（68.2%）、延迟放电型（22.7%）和爆发放电型（9.1%）。在谷氨酸能神经元中，58.8%为规律放电型，23.5%为延迟放电型，17.6%为爆发放电型；而GABA能神经元主要为规律放电型（77.8%），延迟放电型（18.5%）和爆发放电型（3.7%）较少。在将AAV5-CAG-ChR2(H134R)-mCherry注射到IC亚区的大鼠中，谷氨酸能和GABA能rNST神经元都表现出幅度和潜伏期相似的光刺激诱导的单突触兴奋性突触后电流。配对全细胞记录进一步表明，谷氨酸能神经元会以较高的失败率接收来自rNST GABA能神经元的抑制性输入。这些发现表明，IC向rNST的投射主要增强了rNST神经元的兴奋性输出。（250/250字）
引言
岛叶皮层（insula cortex, IC）在细胞结构上分为三个区域：非颗粒区（agranular IC, AI）、非颗粒区（dysgranular IC, DI）和颗粒区（granular IC, GI；Allen等人，1991年）。这些区域接收来自腹后丘脑（ventroposterior thalamus）、基底外侧杏仁核（basolateral amygdala）和副桥核（parabrachial nucleus, PBN）的感觉输入。具体而言，IC接收来自丘脑的腹后内侧核（ventroposteromedial nucleus, VPM）和腹后外侧核（ventroposterolateral nucleus, VPL）的兴奋性输入，这两个核分别处理味觉和内脏信息（Haley等人，2023年；Koyanagi等人，2025年；Yamamoto，1984年；Yasui等人，1991年）。口面部躯体感觉信息也在位于大脑中动脉（MCA）头侧和尾侧的DI和GI区域进行处理（Fujita等人，2010年；Yamamoto等人，1988年）。值得注意的是，对口面部区域有害刺激作出反应的IC神经元主要位于MCA尾侧和次级躯体感觉皮层（S2）腹侧的DI和GI区域。该区域被称为S2/岛叶口面部区域（S2/insular orofacial region, IOR；Fujita等人，2010年；Kobayashi等人，2010年）。
在味觉系统中，多项解剖学研究表明IC向rNST有直接的下行投射（Hayama和Ogawa，2001年；Sato等人，2013年；Shipley，1982年；van der Kooy等人，1984年）。此外，还有研究报道了下行IC投射在调节rNST活动中的功能作用：IC投射有助于促进部分rNST神经元的活动，但会抑制其他神经元（Di Lorenzo和Monroe，1995年；Smith和Li，2000年）。尽管Deng等人（2021年）最近证明了来自前岛叶（anterior IC, aIC）向孤束核（solitary tract nucleus, rNST）头部的投射，这些投射在调控动机强度和多巴胺释放中起关键作用，但aIC位于味觉IC和IOR的头侧，被认为参与其他功能而非口面部感觉处理。
由于NST包含大量GABA能神经元（Bradley和King，2007年），这些神经元可能会抑制周围的谷氨酸能神经元，因此IC向不同神经元亚型的下行投射的作用仍不清楚。因此，要阐明IC→rNST下行投射的生理作用，确定rNST中接收IC输入的具体神经元亚型至关重要，以理解IC调节rNST活动的精确机制。
在本研究中，我们调查了由IC亚区（主要包含味觉神经元）轴突刺激引发的rNST的突触反应，这一点在我们的先前活动映射研究中已有显示（Kobayashi等人，2010年）。首先探讨了IC是否向rNST投射，因为rNST接收来自初级传入纤维的味觉输入（King，2007年）。其次，将rNST神经元分为谷氨酸能和GABA能类型，并比较了它们的内在特性和放电特性。第三，采用光遗传学方法证明了IC与rNST中谷氨酸能和GABA能神经元之间的功能性突触连接。最后，评估了抑制性神经元向rNST兴奋性神经元的抑制性突触连接的生理特性。
方法
所有实验均遵循美国国立卫生研究院关于实验动物护理和使用的指南，并获得了日本大学和大阪大学动物护理和使用委员会的批准。我们尽一切努力减少使用的动物数量及其所受的痛苦。
结果
在本研究中，我们对rNST中的Venus（?）和Venus（+）神经元进行了全细胞膜片钳记录，这些神经元分别被认为是谷氨酸能兴奋性和GABA能抑制性神经元。
投射到rNST的IC区域拓扑结构
解剖学研究表明IC向NST有下行投射（Hayama和Ogawa，2001年；Neafsey等人，1986年；Sato等人，2013年；Shipley，1982年；Torrealba和Muller，1996年；van der Kooy等人，1984年）。Shipley（1982年）通过向IC注射前向示踪剂，明确了小鼠IC下行投射的拓扑结构：IC头部区域向rNST投射，中间区域向NST的中层投射，尾部区域向NST的尾部投射。
作者贡献声明
Wakabayashi Ami：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、验证、方法学设计、实验实施、数据分析、数据管理。Nakaya Yuka：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、验证、方法学设计、资金获取、数据分析、概念构思。Yamamoto Kiyofumi：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、验证、资金获取、数据分析、概念构思。Yumi
资助
本研究得到了日本文部科学省（MEXT）的KAKENHI资助（项目编号：23K09363（授予Y.N.）、23K09129（授予K.Y.）、16K15775（授予A.Y.）以及22H03257和23K18366（授予M.K.）；此外，日本大学牙科学院的Sato和Uemura基金会及牙科研究中心也提供了资助。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
VGAT-Venus转基因大鼠由日本冈崎市国立生理科学研究所的Yanagawa博士、Hirabayashi博士和Kawaguchi博士使用Miyawaki博士提供的pCS2-Venus基因构建。
作者贡献
Nakaya Yuka、Yamamoto Kiyofumi和Kobayashi Masayuki共同构思和设计了本研究。Wakabayashi Ami、Nakaya Yuka、Yamamoto Kiyofumi、Tsutsumi Yumi和Yoshida Atsushi负责实验实施。数据分析由Wakabayashi Ami、Nakaya Yuka、Yamamoto Kiyofumi和Yumi共同完成。
