人腦消耗大量能量，這些能量幾乎完全是由需要氧氣的新陳代謝形式產(chǎn)生的。因此，有效、及時的氧氣分配和輸送對于健康的大腦功能至關(guān)重要，然而，這一過程的精確機(jī)制在很大程度上仍然不為科學(xué)家所知。

今天在《科學(xué)》雜志上描述的一種新的生物發(fā)光成像技術(shù)已經(jīng)創(chuàng)建了小鼠大腦中氧氣運(yùn)動的高度詳細(xì)且視覺上引人注目的圖像。

該方法可以很容易地被其他實(shí)驗室復(fù)制，將使研究人員能夠更精確地研究缺氧的形式，例如中風(fēng)或心臟病發(fā)作期間發(fā)生的大腦部分缺氧。它已經(jīng)讓我們深入了解為什么久坐的生活方式會增加患阿爾茨海默病等疾病的風(fēng)險。

“這項研究表明，我們可以連續(xù)監(jiān)測大腦大范圍內(nèi)氧氣濃度的變化，”羅切斯特大學(xué)和波士頓大學(xué)轉(zhuǎn)化神經(jīng)醫(yī)學(xué)中心聯(lián)合主任 Maiken Nedergaard 說。哥本哈根。

Maiken Nedergaard 說：“這為我們提供了大腦中實(shí)時發(fā)生的情況的更詳細(xì)圖像，使我們能夠識別以前未檢測到的暫時缺氧區(qū)域，這些區(qū)域反映了可能引發(fā)神經(jīng)缺陷的血流變化。”

螢火蟲和偶然的科學(xué)

新方法采用了發(fā)光蛋白，這是螢火蟲中發(fā)現(xiàn)的生物發(fā)光蛋白的化學(xué)近親。這些蛋白質(zhì)已用于癌癥研究，它們利用病毒向細(xì)胞發(fā)出指令，以產(chǎn)生酶形式的發(fā)光蛋白質(zhì)。當(dāng)酶遇到稱為呋喃嗪的底物時，化學(xué)反應(yīng)會產(chǎn)生光。

與許多重要的科學(xué)發(fā)現(xiàn)一樣，利用這一過程對大腦中的氧氣進(jìn)行成像是偶然發(fā)現(xiàn)的。哥本哈根大學(xué)轉(zhuǎn)化神經(jīng)科學(xué)中心助理教授 Felix Beinlich 最初打算使用發(fā)光蛋白來測量大腦中的鈣活動。很明顯，蛋白質(zhì)生產(chǎn)中存在錯誤，導(dǎo)致研究延遲了數(shù)月之久。

在 Felix Beinlich 等待制造商提供新批次的同時，他決定繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗，以測試和優(yōu)化監(jiān)控系統(tǒng)。該病毒用于向星形膠質(zhì)細(xì)胞傳遞產(chǎn)生酶的指令，星形膠質(zhì)細(xì)胞是大腦中無處不在的支持細(xì)胞，可維持神經(jīng)元的健康和信號功能，并將底物直接注射到大腦中。

記錄顯示了通過生物發(fā)光強(qiáng)度波動來識別的活動，研究人員懷疑并且后來證實(shí)，這反映了氧氣的存在和濃度。 “在這種情況下，化學(xué)反應(yīng)依賴于氧氣，因此當(dāng)存在酶、底物和氧氣時，系統(tǒng)開始發(fā)光，”Felix Beinlich 說。

雖然現(xiàn)有的氧氣監(jiān)測技術(shù)可以提供有關(guān)大腦一小部分區(qū)域的信息，但研究人員實(shí)時觀察了小鼠的整個皮層。生物發(fā)光的強(qiáng)度與氧氣濃度相對應(yīng)，研究人員通過改變動物呼吸的空氣中的氧氣量來證明這一點(diǎn)。

光強(qiáng)度的變化也與感官處理相對應(yīng)。例如，當(dāng)用一股空氣刺激小鼠的胡須時，研究人員可以看到大腦相應(yīng)的感覺區(qū)域被點(diǎn)亮。

“缺氧區(qū)域”可能預(yù)示著患阿爾茨海默病的風(fēng)險

大腦在沒有氧氣的情況下無法長時間生存，中風(fēng)或心臟病發(fā)作后迅速出現(xiàn)的神經(jīng)損傷就證明了這一點(diǎn)。但是，當(dāng)大腦的一小部分短暫缺氧時會發(fā)生什么?

直到尼德加德實(shí)驗室的團(tuán)隊開始仔細(xì)研究新錄音之前，研究人員甚至沒有提出這個問題。在監(jiān)測小鼠時，研究人員觀察到大腦的特定微小區(qū)域會間歇性變暗，有時持續(xù)幾秒鐘，這意味著氧氣供應(yīng)被切斷。

氧氣通過巨大的動脈網(wǎng)絡(luò)和滲透腦組織的較小毛細(xì)血管(或微血管)在整個大腦中循環(huán)。通過一系列實(shí)驗，研究人員能夠確定由于毛細(xì)血管停滯而導(dǎo)致缺氧，當(dāng)白細(xì)胞暫時阻塞微血管并阻止攜帶氧氣的紅細(xì)胞通過時就會發(fā)生這種情況。

研究人員將這些區(qū)域稱為“缺氧區(qū)”，與小鼠活動時相比，它們在休息狀態(tài)下的大腦中更為普遍。據(jù)信，毛細(xì)血管停滯會隨著年齡的增長而增加，并且已在阿爾茨海默病模型中觀察到。

Maiken Nedergaard 說：“研究一系列與大腦缺氧相關(guān)的疾病的大門是敞開的，包括阿爾茨海默病、血管性癡呆和長期新冠病毒，以及久坐的生活方式、衰老、高血壓和其他因素如何導(dǎo)致這些疾病。”并補(bǔ)充道：

“它還提供了一種工具來測試不同的藥物和運(yùn)動類型，以改善血管健康并減緩癡呆癥的發(fā)展。”

您可以在《科學(xué)》中閱讀“在此處插入研究名稱和鏈接”的研究。