如今，研究人员可以实时观察小鼠大脑中的氧气运动情况，这将有助于了解阿尔茨海默病、卒中和心脏病等疾病。

哥本哈根大学健康和医学科学学院

3月26日消息

人脑消耗的能量巨大，几乎完全来自需要氧气的某种新陈代谢形式。因此，氧气的高效及时分配和输送对大脑的健康功能至关重要。然而，这一过程的精确机制在很大程度上一直不为科学家所知。近日，《科学》（Science）杂志描述了一种新的生物发光成像技术，该技术创建了小鼠大脑中氧气运动的高度详细且视觉效果震撼的图像。

研究于2024年3月28日发表在《Science》（最新影响因子：56.9）杂志上

这种方法易于被其他实验室复制，将使研究人员能够更精确地研究缺氧的形式，例如卒中或心脏病发作期间大脑部分缺氧的情况。该技术已经为揭示久坐生活方式为何会增加阿尔茨海默病等疾病的风险提供了洞见。

“这项研究表明，我们可以在大脑的广泛区域内连续监测氧浓度的变化，”罗切斯特大学（University of Rochester）和哥本哈根大学（University of Copenhagen）共同设立的转化神经医学中心（Center for Translational Neuromedicine）联合主任 Maiken Nedergaard 说。

“这为我们提供了大脑实时发生情况的更详细图像，使我们能够识别出以前未检测到的暂时缺氧区域，这些区域反映了可能引发神经缺陷的血流变化，” Maiken Nedergaard 说。

萤火虫与偶然的科学发现

这种新方法采用了发光蛋白，这种蛋白与萤火虫体内发现的生物发光蛋白属于化学同系物。这些蛋白在癌症研究中已有应用，它们利用一种病毒将指令传递给细胞，使细胞以酶的形式产生发光蛋白。当这种酶遇到其底物——呋喃嗪（Furimazine，一种咪唑并吡嗪酮类的发光底物）时，化学反应会产生光。

像许多重要的科学发现一样，将这种过程应用于大脑氧气的成像也是偶然发现的。哥本哈根大学转化神经科学中心的助理教授 Felix Beinlich 原本打算使用发光蛋白来测量大脑中的钙活动。后来才发现蛋白质生产过程中出现了错误，导致研究延迟了数月。

在等待制造商提供新批次产品的过程中，Felix Beinlich 决定继续进行实验，以测试和优化监测系统。病毒被用来向星形胶质细胞传递产生酶的指令，星形胶质细胞是大脑中的普遍存在的支持细胞，它们维持着神经元的健康和信号传递功能，而底物则直接注入大脑。

记录显示出了活动，这种活动通过生物发光的强度波动来识别，研究人员怀疑并后来证实，这反映了氧气的存在和浓度。“在这种情况下的化学反应是依赖氧气的，所以当存在酶、底物和氧气时，系统就会开始发光，” Felix Beinlich 说。

虽然现有的氧气监测技术只能提供大脑小部分区域的信息，但研究人员实时观察到了小鼠整个大脑皮层的活动。生物发光的强度与氧气的浓度相对应，研究人员通过改变动物呼吸空气中氧气的量来证明了这一点。

光强度的变化也与感官处理相对应。例如，当用一股气流刺激小鼠的胡须时，研究人员可以看到大脑相应感官区域的发光。

“缺氧区域”可能指向阿尔茨海默病风险

大脑离开氧气就无法长时间存活，这一点通过卒中或心脏病发作后迅速出现的神经损伤得到了证明。但当大脑的小部分短暂缺氧时会发生什么？

在这个问题被 Nedergaard 实验室的团队开始仔细研究新记录之前，甚至都没有研究人员提出过这个问题。在监测小鼠时，研究人员观察到大脑特定微小区域会间歇性地变暗，有时会持续数秒，这意味着氧气供应被切断了。

氧气通过遍布大脑组织的庞大动脉网络和更小的毛细血管（或微血管）网络循环到整个大脑。通过一系列实验，研究人员得以确定氧气被阻断是由于毛细血管停滞（Capillary stalling），这种情况发生在白细胞暂时阻塞微血管并阻止携氧红细胞通过时。

研究人员将这些区域命名为“缺氧区域”，与小鼠活跃时相比，这些区域在小鼠休息时的大脑中更为普遍。人们认为毛细血管停滞会随着年龄增长而增加，并且在阿尔茨海默病模型中已经观察到这一现象。

“现在有机会研究与大脑缺氧相关的一系列疾病，包括阿尔茨海默病、血管性失智和长新冠，以及久坐不动的生活方式、衰老、高血压和其他因素如何导致这些疾病，” Maiken Nedergaard 补充道，“它还提供了一个工具来测试不同的药物和运动类型，以改善血管健康并减缓失智症的发展进程。”

创立于1479年的丹麦哥本哈根大学

参考文献

Source：University of Copenhagen - The Faculty of Health and Medical Sciences

New imaging method illuminates oxygen's journey in the brain

Reference：

Felix R. M. Beinlich et al. ,Oxygen imaging of hypoxic pockets in the mouse cerebral cortex.Science383,1471-1478(2024).DOI:10.1126/science.adn1011

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       原文标题 : 新的成像方法阐明了氧气在大脑中的旅程