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大脑及其动脉是如何向神经活动增强的区域供血的

大脑及其动脉是如何向神经活动增强的区域供血的

大脑是一个贪婪的器官。一个三磅重的成年人的大脑消耗了人体大约五分之一的能量,但它不能自己储存能量,需要心血管系统提供持续的营养。器官的能量需求随着神经活动的变化而波动,充足的血液必须在正确的时间准确地输送到正确的地方,以确保大脑功能的健康。

为了满足这些不断变化的需求,一种被称为神经血管耦合的过程会迅速增加流向神经活动增强区域的血液流量。这一过程在高血压、糖尿病和阿尔茨海默病等情况下会受到损害,同时也是fMRI等成像技术的基础。fMRI利用血流作为大脑活动的读数。

尽管它很重要,但目前还不清楚大脑和血管如何沟通,以使神经血管耦合。现在,在2月19日发表在《自然》杂志上的一项研究中,哈佛医学院的神经科学家报告说,他们在老鼠的大脑中发现了一种控制机制,可以确保充足的血液快速准确地流向神经活动增强的区域。

他们的实验表明,大脑中的动脉会对神经活动做出反应,积极地调节神经血管耦合,而先前被认为是保护血脑屏障关键调节因子的Mfsd2a蛋白在这一过程中起着关键作用。这些发现为神经血管耦合在神经系统疾病中的作用提供了新的研究途径。

“我们现在已经掌握了涉及神经血管耦合的机制,包括其分子、细胞和亚细胞成分,这是我们以前从未有过的,”高级研究作者顾成华说。

“这使我们能够分析这个过程,并确定,例如,我们在阿尔茨海默病等疾病中看到的神经血管耦合障碍是病理学的结果还是原因,”顾说。

痒胡须

在之前的研究中,Gu和他的同事证明了血脑屏障的保护完整性是由蛋白Mfsd2a来保证的,Mfsd2a可以抑制小鼠大脑毛细血管中小泡的形成,小泡是一种包含信号分子的小脂泡。

令他们惊讶的是,他们发现从肺部输送营养丰富的血液的动脉,占大脑血管的5%,具有与毛细血管相反的特征。动脉缺乏Mfsd2a,并表现出大量的小凹。

在目前的研究中,研究小组调查了这一观察结果。这项研究由哈佛大学医学院神经生物学研究员Brian Chow和Vicente Nunez牵头,他们用一种称为双光子显微镜的强大技术刺激清醒健康的老鼠的胡须,同时对它们的大脑活动进行实时成像。

大脑中的动脉在胡须的刺激下扩张。这一过程被称为神经血管耦合,由小凹和蛋白Mfsd2a调节。资料来源:Gu Lab/哈佛医学院

在触须刺激下,正常小鼠大脑相应感觉区域的神经活动、动脉直径和血流增加。然而,通过基因工程去除小凹的小鼠具有同样的神经活动,但明显减少了血流和动脉扩张,这表明神经血管耦合的缺陷。

该研究小组通过迫使构成动脉内膜的内皮细胞表达通常缺失的Mfsd2a,从而阻止这些细胞形成小窝。这再次导致了神经血管耦合的严重损伤,证明了动脉中小窝的重要性。

进一步的实验证实了动脉内皮细胞的独特作用。以前人们知道,神经活动会放松动脉周围的平滑肌细胞,从而导致血管扩张和血流增加。相反,目前的研究结果揭示了一个不同的机制,即动脉内皮细胞中的小泡通过将信号从神经元向平滑肌细胞传递而使神经血管耦合。

“一个多世纪以来,我们已经知道这种现象的存在,神经活动以一种非常局部和时间精确的方式迅速增加血液流动,”Chow说。“但是,神经系统如何与血管系统协调这一事件的机制在很大程度上尚不清楚,而发现动脉内皮细胞在这一过程中发挥如此积极的作用是非常令人惊讶的。”

精密的消费

研究小组还发现,小脑穴不受一氧化氮信号的影响,而一氧化氮信号是调节血管扩张的重要系统通路。众所周知,治疗心力衰竭的硝化甘油和治疗勃起功能障碍的昔多芬(伟哥)都是该通路的靶点。

当小凹和一氧化氮信号被阻断时,研究小组发现神经血管耦合完全消失。每一种机制似乎都在调节神经活动引起的血流方面发挥着同样重要但独立的作用。作者说,这一发现表明,动脉中的小窝可能负责更精确地定向增加血流,而一氧化氮的作用更广泛。

为了更好地理解这一过程,顾和他的同事们正在研究小凹内信号分子的确切组成。研究人员说,他们希望新发现的神经血管耦合的机制基础将为研究这一过程及其在疾病中如何出错的生物学提供新的实验方法。

“我们已经建立了一套非常强大的基因工具,使我们不仅能够识别,而且能够操纵神经血管耦合中心的分子机制,”顾说。“考虑到神经血管耦合的许多方面仍不清楚,这一点很重要。”

“例如,即使增加的局部血液供应受损,大脑仍然有血液流动和氧气。这对神经元有什么影响?这如何影响大脑功能?它会导致神经血管性痴呆吗?”顾说。“我们现在可以进行严谨的科学研究,从而回答类似的问题。”

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