超越腸道：揭開我們「第二個大腦」的內部運作

不只是腸道的感覺-我們第二個大腦

每個人都懂那種感受，在你肚子的深處有種不對勁的感覺，有些人稱為直覺-也有人說是迷信。好吧，結果發現你感覺到的 ”直覺”離神祕第六感還很遠。

胃腸道內壁深處埋藏著一個由超過 1 億個神經元組成的複雜網絡，通常稱為腸神經系統 ( Enteric Nervous System，ENS)。

ENS 是我們自主神經系統最大的組成部分，其獨特之處在於它可以獨立於中樞神經系統（大腦和脊髓）的任何神經輸入（或命令）而發揮作用。然而，ENS 的功能遠遠超出了處理我們進食後的範圍；這個神經網絡已經被證實可以控制局部血流、液體的分泌、離子、生物活性胜肽，以及調節重要的免疫和內分泌功能-它能獲得”第2個大腦”的稱號一點也不意外。

在過去的10年中，人們對”第2個大腦”如何在生理層面運作越來越感興趣，舉例來說：調節吃進食物的運動和加工，以及了解腸道和大腦如何沿著腸腦軸(gut-brain axis) 相互溝通。

內臟神經生理學實驗室

澳洲Flinders University的神經胃腸病學家Nick Spencer教授(博士) 是一位積極參與這一領域的研究人員。Nick的實驗室-內臟神經生理學實驗室，主要致力於了解腸壁內的內在神經（即腸神經系統）如何讓內容物沿著腸道推進。

他們也獲得了資金來研究腸道的外在神經如何與脊髓和大腦溝通，或其他內在器官，例如：膀胱和子宮，是透過相似還是不同的方式與CNS溝通。

Nick對於智慧腸道的興趣源自於他大學時期在Monash University的一堂實驗課。Nick解釋到，”我很驚訝的是結腸中的神經系統仍然活躍，並且在許多方面與心臟相似-能夠每隔幾分鐘產生節奏的收縮，並沿著整個結腸傳遞，即使結腸已經與動物分離，直到今天我還是覺得不可思議。”

揭開腸道的奧秘

為了更深入探討這個問題，Spencer 的實驗室在他們的實驗中採用了最先進的光遺傳學技術，以更進一步研究 ENS 的內部運作原理。

什麼是光遺傳學(optogenetics)？

光遺傳學是一種現代研究工具，神經科學家可以利用光來控制神經元的活動。透過基因工程，尼克和他的團隊可以修改 ENS 中的神經元，以表達光敏感離子通道，這些離子通道在被光照射到時會觸發生理反應。

Nick說，”首先，我們利用光遺傳學方法，以增加內臟器官(如腸道) 的收縮力。”在2018年，Nick和Dr. Hongzhen Hu一起首次展示無線光遺傳學可以用於有意識、自由活動的動物體內，並增加其腸胃蠕動。您可以在這閱讀此研究

在實驗室裡測量ENS的活性

為了測量神經活性和接受光刺激後連續性的肌肉收縮，Nick需要非常複雜的實驗裝置，包含客製化和商用設備。首先，他們必須將結腸從基因轉殖的動物體內分離出來，並將其浸入加熱的器官溶液中以模擬生理條件。從這裡，他們可以連接不同的設備來測量各種訊號，例如收縮力、壓力和神經活動。

Nick解釋，”典型的實驗通常使用 PowerLab（用於資料收集）、放大器、用於拍攝腸道、膀胱或子宮壁運動的網路攝影機以及一些用於記錄電活動的客製化電極。”隨後使用 LabChart 軟體對記錄的訊號與組織運動的影片片段進行分析。

Nick說，”LabChart 的視訊擷取模組對於我們在時間上與腸道、膀胱、膀胱等部位的壓力和/或電活動的同步記錄非常重要。”

利用光治療慢性內臟疼痛

光遺傳學的臨床應用遠超過在沒有藥物的情況下促進腸胃蠕動。Nick解釋，’我們也正在研究利用光遺傳學抑制從內在器官傳遞痛覺到脊髓的這條神經，這種方法開創了新的可能性，人們可以利用光而不是藥物來改善器官功能，例如腸道，以幫助在某些病理條件下恢復功能。

這一項技術的另一個主要優點是利用光遺傳學可以立即的在器官上產生刺激反應，不需要跟口服藥一樣，要等好幾個小時後才會產生效果。

選擇性地將光切換到神經上以將其「打開」或「關閉」的能力對醫療界或學術界有很大有利的影響，因為很少有藥物只專門作用於一種器官。

Nick說 ’光遺傳學可以利用光來改善腸腦通訊，而不必服用通常具有多種脫靶效應的非特異性藥物，這可以大大減少副作用，並且有可能不再需要藥物。’

沒有腸道，就沒有今天的成就

除了Nick的開創性的研究，其利用光遺傳學改善腸胃的蠕動功能，他還因開發一種成像方法而獲得認可，該方法使他們能夠同時可視化和記錄腸神經系統中的數百個神經元，並將這些神經元放電模式與平滑肌細胞的活動作關聯。這項主要研究發表在《Neuroscience》上，可以在這裡找到。Spencer團隊也因開發一種新型神經元追蹤技術來識別內臟疼痛感知基礎的感覺神經末梢的工作而聞名。