大脑皮层的氧动力学探究：氧成像技术揭示小鼠大脑皮层缺氧区

在休息时人脑消耗全身总耗氧量的20%，一旦缺氧可能危及生命。大脑如何平衡氧气的输送和需求，我们对生理条件下脑组织氧张力的动力学理解仍然有限。这篇论文介绍了一种方法能够检测小鼠大脑皮层的氧分压

　　

大脑必须很好地平衡氧气的输送和需求，以不断维持组织的氧合。然而，我们对生理条件下脑组织氧张力的动力学理解仍然有限。来自丹麦的研究人员使用生物发光氧指示器在高的空间和时间分辨率下检测小鼠大脑不同部位的氧分压。他们发现，短暂的、有空间限制的缺氧期是自发发生的，他们将这种现象命名为“缺氧口袋”。系统探索对各种实验条件的反应表明，跑步等体育活动可以减少缺氧区的发生。文章发表在新一期《Science》上。

背景介绍

人脑在休息时消耗全身总耗氧量的20%，意识在脑血流停止的几秒钟内消失，氧的输送和需求是如此精细的平衡，维持组织氧合可能是所有大脑功能中最关键的。然而，关于生理条件下的大脑皮质氧张力( PO_2）动力学我们仍了解不多。主要是因为缺乏空间上精确的测量技术对PO₂成像。目前用磷光和Clark型电极来测量组织PO₂都不能提供足够高的时空灵敏度来检测皮质( PO₂）的生理变化。

技术亮点

作者开发了一种方法，通过在星形胶质细胞中表达的酶催化发光底物的氧依赖反应，来测量PO₂的相对变化。该方法能够将清醒行为小鼠皮质PO₂的动态可视化，具有优越的信噪比和时空分辨率。GeNL绿色发光融合蛋白（Green enhanced Nano-lantern, GeNL，“绿色增强纳米灯”)是一种由荧光素酶NanoLuc和荧光蛋白mNeongreen组成的发光融合蛋白。在其发光底物furimazine转化为furimamide的酶促过程中，能量以光的形式发射。荧光融合蛋白作为荧光放大器，通过Förster共振能量转移(FRET)提高量子产率。GeNL与底物的酶促反应依赖于O₂，当O₂是酶促反应的限速因子时，生物发光信号的强度与O₂的可用性呈线性相关。

研究成果和讨论之亮点

研究表明，通过基因编码的生物发光氧指示蛋白，可以在清醒行为小鼠的宽皮质区域连续监测PO2的相对变化。通过监测星形胶质细胞中表达的GeNL的生物发光信号，研究人员发现皮层PO2在生理条件下不断波动，产生空间和时间上限定的缺氧口袋。增加或阻断毛细血管流动的操作表明，局部微循环中断是缺氧口袋发生的原因。这些缺氧口袋的出现与局部毛细血管流动的消失有关，而体育活动如跑步可以减少这些缺氧区的发生。这一结论得到了皮质血红蛋白吸收成像(即IOSI)的支持。对局部血红蛋白浓度的监测发现了短暂的局部血红蛋白降低，这与缺氧口袋具有共同的特征和抵消动力学，从而为验证生理条件下空间受限的PO₂波动的发生提供了另一种方法。

研究还发现，皮层中的缺氧口袋更靠近小静脉而非小动脉，这与小鼠中血管分布的特点有关。此外，研究还探讨了缺氧口袋可能对功能性磁共振成像（fMRI）血氧水平依赖（BOLD）信号的影响，以及它们与衰老、认知能力下降和神经功能缺陷之间的潜在联系。研究指出，不运动可能会直接影响组织PO₂，增加毛细血管闭塞和缺氧袋的数量，而仅仅增加感觉输入或运动，可以迅速抑制缺氧口袋的发生，这也许可以解释久坐不动的生活方式与痴呆症风险增加之间的联系。

为什么以前没有发现缺氧口袋?使用磷光探针PtP-C343，以每帧225至400秒的时间分辨率记录PO₂浓度，发现在清醒的老年小鼠皮层中存在缺氧区。然而，这里报告的更频繁的缺氧事件仅持续约50秒，在缓慢的、以分钟为单位的时间分辨率成像时无法检测到。

PO₂随着年龄的增长而下降，使用本文介绍的PO₂生物发光成像来评估衰老是否与缺氧口袋持续时间的逐渐增加和/或空间扩张有关，将是一项有趣的研究。

总的来说，这项研究提供了对大脑皮层氧动力学的新见解，并为理解生理过程和神经系统疾病中的氧张力变化提供了有力的工具。通过揭示缺氧口袋的存在和特性，研究为进一步探索缺氧与神经功能之间的关系奠定了基础。同时，这些发现也强调了运动对于维持大脑健康和预防神经退行性疾病的重要性。