《SCIENCE ADVANCES》：An inspiration-off attractor supports the robust and flexible control of breathing
编辑推荐：
呼吸是维持生命所必需的基本运动节律。呼吸的节律和模式源于延髓中吻尾延伸的腹侧呼吸柱（ventral respiratory column，VRC）的协调。尽管在离体（in vitro）制备中，重复性兴奋足以产生节律性爆发，但关于抑制和兴奋如何与反馈回路相互作用
呼吸是维持生命所必需的基本运动节律。呼吸的节律和模式源于延髓中吻尾延伸的腹侧呼吸柱（ventral respiratory column，VRC）的协调。尽管在离体（in vitro）制备中，重复性兴奋足以产生节律性爆发，但关于抑制和兴奋如何与反馈回路相互作用以在体内（in vivo）产生呼吸节律，人们的了解相对较少。在此，研究人员扩展了经典的“吸气关闭开关”模型，该模型认为来自肺牵张传入通路的抑制性信号在体内产生呼吸节律中起关键作用。研究人员在光遗传学和生理学操作期间沿VRC全长进行高密度细胞外记录，并应用计算分析来表征这些扰动如何控制低维神经动力学。研究人员表明，刺激孤束核（nucleus of the solitary tract，NTS）的GABA能传入以与VRC局部抑制相似但在定量上不同的方式提前或延迟呼吸。研究人员使用生成动力学模型表明，抑制性活动通过瞬时稳定对应于呼气的低维流形上的吸引区域来控制呼吸活动。总之，这些结果提出了一个“吸气关闭吸引子”模型，该模型是体内呼吸网络水平控制的基础。
呼吸节律的产生是维持生命的基本前提。经典观点认为，延髓腹侧呼吸柱（ventral respiratory column, VRC）内含节律发生核心，但离体实验表明单纯兴奋性连接即可产生节律，使得“吸气关闭开关”模型在体意义受到质疑。然而，在完整动物中，抑制性传入如何与兴奋性回路相互作用来调控呼吸节律仍不清楚。研究人员利用高密度电生理记录与光遗传学技术，在麻醉小鼠中系统操纵VRC及孤束核（NTS）的不同神经元亚群，并结合计算建模，揭示了抑制性输入通过稳定“吸气关闭吸引子”来双向控制呼吸节律的机制。该研究重新确立了经典模型在体中的核心作用，并提出了一个统一动力学框架。论文发表在《SCIENCE ADVANCES》。
研究人员采用的主要关键技术方法包括：使用Neuropixels探针沿VRC进行高密度细胞外记录；通过Cre-loxP转基因小鼠（VgatCre;Ai32和Vglut2Cre;Ai32，共15只）及病毒注射（VgatCre小鼠NTS表达ChRmine，n=9）实现细胞类型特异性光遗传激活；应用主成分分析（PCA）对群体活动降维，提取低维流形；拟合循环切换线性动力系统（rSLDS）模型，将光刺激和学习到的刺激效应建模为作用于潜在动态的矢量场；并通过正压通气诱发Hering-Breuer反射（HBR），与直接光刺激结果进行比较。样本均来自9-24周小鼠，均为雄性雌性兼有。
激活NTS中的抑制性群体驱动与激活VRC兴奋性和抑制性神经元不同的呼吸时相依赖性变化：通过2秒持续刺激和短脉冲刺激，发现激活VRCVGLUT2群体在吸气期不改变呼吸频率但增加膈肌肌电幅度，在呼气期增加频率；激活VRCGABA和NTSGABA群体在呼气期减慢频率，在吸气期增加频率。但NTSGABA激活的相位重置曲线显示，其仅在吸气前半段（膈肌上升期）提前相位，而VRCGABA在整个吸气期均提前相位，表明不同抑制源存在亚相特异性。
激活NTSGABA群体选择性抑制吸气性VRC神经活动：对VRC单单位进行分类分析，发现NTSGABA刺激不改变呼气神经元平均放电率，仅轻微抑制紧张性神经元，而显著抑制吸气神经元；VRCGABA刺激则广泛抑制所有类型神经元，VRCVGLUT2激活则增加大多数神经元放电。
激活抑制性回路使旋转群体动力学捷径至吸气关闭状态：分析PCA潜在轨迹发现，VRCGABA和NTSGABA刺激在吸气期将轨迹拉向先前确定的“吸气关闭”吸引区域，在呼气期将网络钳制于该区域；VRCVGLUT2刺激并不改变旋转方向，但增加轨迹速度。通过测量刺激后状态离散度（dispersion）和到吸气关闭点的距离，验证了抑制性刺激使轨迹收敛，而兴奋性刺激使其发散。
肺牵张反射期间的神经群体动力学提示吸气-呼气竞争机制：通过正压充气诱导HBR，发现吸气神经元活动时程缩短，但吸气特异性放电率增加；呼气神经元失去逐渐衰减模式，转变为更突然的节律过渡。在吸气前50毫秒内，吸气和呼气神经元的放电率均升高，但两类神经元放电率比值不变，提示呼气/吸气平衡的“刚化”机制。
肺充气诱导的潜伏动力学类似于直接刺激抑制性群体：肺充气使潜在状态停滞于吸气关闭目标，轨迹速度显著降低，与直接刺激VRCGABA或NTSGABA时相似。单细胞放电比较显示，NTSGABA刺激的总体放电率与肺充气最匹配，但吸气神经元的调制相关性较低，提示该刺激并未完全模拟生理性传入。
脑干亚群体的激活是对持续动态景观施加的瞬时力：利用rSLDS模型拟合基线及短脉冲刺激数据，学习到各离散状态（吸气/呼气）中光遗传刺激对应的矢量场。VRCVGLUT2刺激在呼气期强度更大，VRCGABA在吸气期强度更大，NTSGABA在两个状态强度相近。刺激方向与呼气慢特征向量的余弦相似性分析显示，VRCVGLUT2刺激沿正常动力学方向推动网络，而抑制性刺激反对正常动力学。模型模拟不同刺激幅度和时相可复现实验观测，包括呼吸暂停和频率变化。
动态基序可泛化至不同刺激类型以预测神经活动和生理行为：在不使用刺激数据拟合模型的情况下，仅依据未扰动系统的慢特征向量方向设计参数化刺激场，即可复现三种光遗传刺激的相位重置曲线、时相触发反应和幅度扫描结果，验证了亚群体激活效应可被表示为相对于潜在动力学方向的方向性场。
讨论部分指出，该模型支持吸气和呼气状态由兴奋与抑制的对抗性平衡来控制，NTSGABA与VRCGABA之间亚相特异性的差异表明，抑制性信号可分为相位提前和相位促进两种功能成分。研究结论翻译如下：这些数据共同强调了抑制性再传入反馈在塑造控制呼吸的多样化运动神经元群体常规动态中的关键作用。将群体活动视为低维动态空间，使我们能够分解操纵特定细胞类型亚回路和输入的影响。这种潜在动力学方法为在完整动物中解析神经回路提供了有力工具，并可能通过组合任意方向场来预测多个亚群体的相互作用，从而避免逐一进行交集实验。当与交叉定义的细胞类型和投射特异性群体扰动相结合时，可以开始区分对呼吸输出具有重叠或不可区分影响的神经群体的功能角色。
