Nature | 常瑞/张乐团队揭示体脑轴新机制：系统解析器官内在神经系统的构建蓝图|基质|常瑞|张乐|神经元|神经节|细胞|胰脏

人体中的心脏、肺脏、胰脏与肠道等器官，都需要神经系统的支配与调控，才能维持正常生理功能与整体运作。除了连接大脑与器官的外在神经系统（例如迷走神经）之外，每个器官内部其实还存在一套“内建神经网络”，也就是器官内在神经系统。它们不仅是身体和大脑沟通的重要桥梁，也是体脑轴不可或缺的核心组成，其功能失调可能与多种疾病密切相关。这些器官内在神经系统（Organ Intrinsic Nervous Systems）的神经细胞体直接嵌入于器官内部，而且不同器官中的神经网络具有不同的分子特征与空间结构。尽管其重要性已广为人知，但是这些差异巨大的内在神经网络，为什么都由同一种神经脊细胞（Neural crest cells）发育而来，其形成机制有待深入探究。过去几十年的研究发现，器官内在神经系统的形成受到细胞内在来源与外在环境的影响；然而，内在与外在因子如何相互作用，并共同决定神经系统的分子组成与空间分布，至今仍是未解之谜。揭开这一机制，将有助于我们更深入理解身体与大脑之间如何沟通与协作。

2026年5月13日，美国耶鲁大学常瑞实验室与张乐实验室合作在Nature期刊发表题为的Lineage and organ signals sequentially build organ intrinsic nervous systems的文章。该研究首次从跨器官、系统性的角度，揭示了包括心脏、肺脏、胰脏与肠道等不同器官内在神经系统的形成机制，发现神经脊细胞不同的迁移谱系会预先决定器官内在神经系统的空间结构，而器官微环境信号则进一步塑造其成熟与功能特征。

研究团队进行了系统层级的跨器官分析与比较，整合细胞发育谱系追踪、3D小鼠成像、单细胞转录组学以及基因操控等实验方法，全面解析心脏、肺脏、胰脏与肠道中内在神经系统的发育过程。研究发现，就像肠道一样，胰脏内在神经系统也是由肠道神经脊细胞（Enteric neural crest cells）发育而来；相较之下，心脏与肺脏中的内在神经系统则主要由许旺细胞前驱细胞（Schwann cell precursors）发育形成。其中，肠道与胰脏的内在神经前驱细胞形成高密度的迁移细胞链，而心脏与肺脏的内在神经前驱细胞则缺乏这类细胞链。这两种神经脊谱系迁徙过程的差异预先决定了器官内在神经系统的空间结构：由肠道神经脊细胞衍生的前驱细胞在进入肠道与胰脏器官后在细胞链的引导下持续迁移，最终广泛分布于整个器官；相对地，由许旺细胞前驱细胞衍生的心脏与肺脏内在神经前驱细胞在进入器官后便不再移动，而是停留于原处继续成熟。这些结果揭示，神经脊细胞的迁移谱系是塑造器官特异性内在神经网络空间结构的关键基础。

进一步探究不同神经脊迁移谱系背后的细胞机制后发现，除了迁移细胞链的差异外，大部分肠道与胰脏内在神经前驱细胞皆高度表达Sox10基因；相较之下，心脏与肺脏内在神经前驱细胞则几乎不表达Sox10基因。由于Sox10不仅对神经脊细胞的迁移能力至关重要，其表达水平也会影响细胞朝胶细胞或神经元方向分化，因此，心脏与肺脏内在神经前驱细胞缺乏 Sox10表达，意味着这些细胞可能已进一步分化成熟，并降低了迁移能力。为了进一步验证此特性，研究自小鼠胚胎中分离出心脏内在神经前驱细胞，并进行单细胞测序分析，以解析其基因表达通路的生物学意义。研究鉴定出一群由神经前驱细胞分化而来，但尚未完全成熟的神经祖细胞（neuronal progenitor cells），这群细胞高度表达与细胞增生相关的基因，却不表达与细胞迁移相关的基因。透过神经祖细胞的发育谱系追踪，进一步确认这群神经祖细胞最终大多分化形成心脏与肺脏的内在神经系统。这些结果显示，神经脊迁移谱系之间的内在差异，会透过低迁移活性的神经祖细胞显现，进而解释心脏与肺脏内在神经元局限分布的特征。

令人惊讶的是，神经脊细胞的迁移谱系虽然决定了器官内在神经系统的空间分布，却未预先决定其分子特化。透过对小鼠胚胎心脏、肺脏、胰脏与肠道内在神经系统进行单细胞测序分析，研究发现胰脏内在神经元的发育轨迹在基因表现上反而更接近心脏与肺脏内在神经元，而非与之同源的肠道内在神经元。这项发现指出了一个有趣的可能性：器官内在神经系统的分子特化可能是由器官的独特环境决定的。为了进一步验证这项假设，研究利用肠道内在神经元丰富的细胞数量以及较被广泛了解的细胞特性，建立了内在神经元体外共培养系统（in vitro co-culture system）。研究人员自小鼠胚胎的肠道中分离出内在神经元，并分别与肠道细胞或心脏细胞共同培养，接着再进行单细胞测序分析。神奇的是，与心脏细胞共同生长的肠道内在神经元的基因程式竟趋向于心脏内在神经元，这项发现证明器官环境对于内在神经系统的分子特化有显著影响。同时，和心脏细胞共同生长的肠道内在神经前驱细胞和神经母细胞，也分别展现相似于心脏内在神经系统的的基因程式，这进一步引发一个关键问题：器官环境是否也会影响神经细胞的分化过程？为了验证这项假设，研究将肠道内在神经元分别与肠道、心脏、肺脏与胰脏细胞共同培养，并持续记录神经轴突的生长情形。由于神经轴突的延伸代表神经细胞逐渐分化成熟，因此得以进一步比较不同器官环境对神经分化的影响。有趣的是，肠道内在神经前驱细胞在心脏或是肺脏细胞环境中，很快便开始延伸神经轴突；相较之下，在胰脏或是肠道细胞的环境中，神经轴突的生长则明显较为缓慢。这项结果显示，不同器官的局部环境会直接影响神经分化的速度。

接着，研究进一步探讨究竟是哪些分子信号在调控器官内在神经分化的速度。首先厘清，在不同器官环境中，影响神经轴突生长速度的究竟是可溶解的讯号分子，还是不可溶解的细胞接触讯号。为此，研究人员收集不同器官细胞的培养液，并以此培养肠道内在神经元。由于这些培养液仅含有可溶性的分泌因子，而不包含不可溶的细胞接触分子，因此可用来区分两者的作用。令人意外的是，无论是心脏、肺脏、胰脏或肠道细胞的培养液，都无法在体外有效促进肠道内在神经元分化。这显示，单靠器官分泌的可溶性讯号并不足以驱动内在神经元成熟。不可溶性的局部讯号主要包含两大类：细胞接触分子以及细胞外基质（extracellular matrix, ECM）。因此，研究进一步整合胚胎器官内在神经系统与器官细胞的单细胞转录体数据，并结合 CellChat 分析工具，推测器官细胞与内在神经元之间的细胞间通讯。结果显示，心脏与肺脏細胞与其内在神经元之间具有特别强烈的细胞外基质交互作用；相反地，在胰脏与肠道系统中，细胞外基质讯号则相对较弱。这项结果指出，器官细胞与其内在神经元之间细胞外基质讯号強度的差异，可能是影响神经分化速度的重要关键。为了进一步验证细胞外基质的作用，研究人员将胚胎肠道内在神经元培养于涂有细胞外基质的培养皿上，结果发现，在没有细胞外基质包覆的对照组中，肠道内在神经元在观察期间几乎无法有效延伸神经轴突；相较之下，细胞外基质包覆则显著促进了内在神经元神经轴突的生长与延展。接着，研究利用基因操控小鼠进一步验证细胞外基质讯号在不同器官中调控内在神经发育的重要性。单细胞转录体分析显示，Itga1（一种重要的细胞外基质受体）在心脏内在神经前驱细胞与神经母细胞中皆高度表达，但在肠道内在神经系统中几乎没有表达。有趣的是，当肠道内在神经细胞与心脏细胞共同培养后，也同样开始高度表达 Itga1。进一步地，Itga1 基因剔除小鼠则表现出显著减少的心脏内在神经元数量，再次证实细胞外基质讯号在不同器官系统中扮演调控内在神经发育的重要角色。综上所述，研究证明器官来源的讯号能重新编程内在神经元基因圖譜，使其逐渐建立具器官特异性的转录特征，并进一步引导神经分化，而其中细胞外基质接触讯号则是最核心的调控机制之一。

先前的研究结果显示神经脊迁移谱系之间的内在差异会决定器官内在神经系统的空间分布；然而，这仍不足以完全解释器官内在神经系统为何能形成如此精密且高度规律的微观结构。例如，心脏内在神经节呈现极具规律性的结构：多个神经节如珍珠项链般环状点缀于心房之上。这样优美而精准的结构，进一步引发思考，究竟是什么样的细胞与分子机制，雕塑出了这种特殊的神经组织。基于细胞外基质在内在神经发育中的重要角色，研究推测心脏内在神经系统可能嵌入于一个具有独特细胞结构、且富含细胞外基质的特殊微环境中。为了进一步验证这项假设，研究人员对小鼠胚胎心房中含有心脏内在神经元的区域，以及缺乏内在神经元的区域进行单细胞测序分析，并比较其细胞组成与基因表达差异。结果发现，纤维母细胞与心肌细胞在两个区域之间呈现最明显的差异，在含有内在神经元的区域中，纤维母细胞的数量甚至高于不含神经元区域的两倍。同样的，RNAscope原位杂交分析进一步证实，心脏内在神经元紧密分布于纤维母细胞与心肌细胞之间，形成稳定且高度组织化的组织结构。这样的特殊排列显示，这些周围细胞除了可能提供分子讯号外，也可能在物理固定与支撑心脏内在神经元结构上扮演重要角色。为了进一步解析这些邻近细胞所提供的讯号，研究比较了这两个区域中纤维母细胞与心肌细胞的基因表达差异，结果显示，在含有内在神经元的区域中，与神经生长与分化相关的发育程式呈现高表达，其中“细胞外基质结构成分”更是最显著富集的功能之一。接着，研究进一步利用 10x Visium 空间转录体分析与非标记定量蛋白质体分析验证，确认细胞外基质成分高度聚集于心脏内在神经元周围。综合这些结果，研究证实心脏内在神经元确实嵌入于一个由纤维母细胞与心肌细胞共同构成、且富含细胞外基质的特殊微环境中。这些发现不仅呼应上述细胞外基质参与神经分化的研究，也进一步指出细胞外基质可能在神经结构的组织化与稳定化中扮演关键角色。

然而，仅靠这个由纤维母细胞与心肌细胞组成的稳定支架，仍不足以解释为何神经节会在特定位置形成如此规律的分布。这也促使研究人员进一步思考：如此精准的空间组织究竟是如何建立的？时空分布分析显示，无论神经元是从单一或多个入口进入心脏，它们在胚胎早期都会先聚集形成一个高密度的中央神经群落。接着，这个神经群落会经历一连串连续性的形态变化：先逐渐扩张成环状结构，之后再分裂为前后两个神经群落，最终在小鼠出生后第一天进一步分裂成多个独立神经节，并维持至成年。在整个过程中，心脏内在神经元的数量、密度与整体细胞结构皆维持稳定，显示这些变化主要来自神经结构的重新布局，而非持续性的神经新生。与此同时，周围心脏细胞无论位于扩张中环状结构的内侧或外侧，皆持续快速增生。这种由组织生长所驱动的位移，最终使心脏内在神经系统呈现出如“珍珠项链”般的结构：多个神经节沿着环状路径规律分布，而中央区域则仅保留稀疏的神经纤维连结。进一步的，电脑生长模型也成功重现了这种由单一中央神经群落逐渐分裂为多个独立神经节的过程。RNAscope原位杂交分析显示，赖氨酰氧化酶（Lysyl oxidase, LOX）在心脏内在神经元与纤维母细胞交界处具有高度表现。LOX酶能将胶原蛋白（collagens）、弹性蛋白（elastins）与层黏连蛋白（laminins）等细胞外基质成分交联成稳定的纤维结构，表明细胞外基质的完整性可能是维持这种精准空间排列所必需的重要因素。果不其然，在缺乏LOX酶的小鼠心脏中，虽然心脏内在神经元总数并未改变，但原本规律排列的神经节结构却明显遭到破坏。许多原本应聚集于主要神经节中的神经元散落至周围区域，形成更多零散且较小的神经团块，显示细胞外基质对神经结构的固定能力显著下降。这种局部结构失序，进一步导致不同Lox基因剔除小鼠之间的神经节大小与空间分布出现高度变异。这些结果显示，LOX酶所介导的细胞外基质交联作用，对于维持心脏内在神经系统精准且规律的空间组织至关重要。结合前述研究结果，这项研究进一步指出，器官独特的细胞外基质交互作用不仅提供神经发育所需的讯号，同时也扮演维持器官内在神经系统结构稳定性的关键角色。

综合以上研究结果，本研究揭示器官内在神经系统多样性源于一种“分步骤”的双重机制：神经脊细胞的谱系程式首先预先建立空间架构，而器官微环境特异性信号则进一步塑造其最终的分子特征、功能状态与精准规律的组织结构。该研究不仅首次系统性阐明了不同器官内在神经系统的构建原则，更建立了一个崭新的概念性框架，揭示器官如何主动建构其自身神经系统，并进一步阐明体脑整合与器官神经系统协同发育的基本原理，为相关发育与神经退行性疾病研究提供了重要理论基础。