Science Advances令人意外的发现:钙能精确地引导大脑中的血流

【字体: 时间:2021年07月22日 来源:生物通

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  “似乎有两种机制协同工作,确保血液形式的能量进入大脑的特定区域:一种是广泛的,另一种是精确的”

  

与身体的其他部分不同,大脑中没有足够的空间来储存能量。因此,大脑需要依靠其内数百英里长的血管通过血液提供新鲜能量。然而,直到现在,人们对大脑如何在活动增加时表达对更多能量的需求,然后将其血液供应导向特定的热点,还知之甚少。

现在,马里兰大学医学院和佛蒙特大学的研究人员已经发现了大脑在需要能量时如何与血管通信,以及这些血管如何通过放松或收缩,将血流引导至特定大脑区域来做出反应。

这一研究发现公布在7月21日的Science Advances杂志上。

研究人员了解了大脑如何以复杂的细节将能量引导至自身,有助于确定在阿尔茨海默病和痴呆症等疾病中出了什么问题,在这些疾病中,有缺陷的血流能预测认知障碍。如果大脑在需要的时候没有将血液输送到需要的地方,神经元就会变得紧张,随着时间的推移,它们会恶化,最终导致认知能力下降和记忆力问题。

大动脉为称为arterioles的中型血管提供营养,然后再为更细小的毛细血管提供营养,这些毛细血管小到一次只能通过一个血细胞。在 2017 年 Nature Neuroscience 的一篇论文中,研究人员发现,通过毛细血管的电脉冲可以引导血液从供应大脑大面积区域中等大小的小动脉流出。在这篇最新论文中,该团队希望研究血液流经毛细血管时的微调,看看这是如何精确调节大脑微小区域的能量供应的。

“似乎有两种机制协同工作,确保血液形式的能量进入大脑的特定区域:一种是广泛的,另一种是精确的,”马里兰大学医学院生理学助理教授Thomas Longden博士说,“第一个机制就像一个粗略的大锤方法,通过控制中等大小的小动脉,将更多的血液输送到增加的大脑活动附近,然后毛细血管钙信号确保精细的微调,让血液通过微小的毛细血管,在正确的时间正确的位置准确地到达。”

Longden博士和他的合作者使用了一种蛋白质,当细胞中钙含量增加时,该蛋白质会发出绿光。由于康奈尔大学 Michael Kotlikoff 团队的努力,他们能够在小鼠血管内壁的细胞中开启这种工具。然后,研究人员通过这些小鼠大脑中的小窗口观察钙在控制大脑毛细血管血流中的作用。当血管内的细胞收到钙的流入信号时,它们会发出绿色的光。这样可以在大脑微小部分的毛细血管中每秒检测到5,000 个钙信号,这相当于整个大脑血管系统中每秒大约1,000,000 个的反应。

“在我们利用这项新技术之前,大脑中存在着完全看不见的钙信号世界,现在我们可以看到大脑血管内的大量活动了:它们不断地放电,”Longden博士说。

随后研究小组剖析了钙在引导血液逐支通过大脑微血管的作用背后的复杂细胞机制。他们发现,当神经元发出电信号时,它们会导致血管内壁细胞中的钙含量增加。然后酶检测这种钙并引导细胞制造一氧化氮。一氧化氮是一种激素(也是一种气体),它会导致血管周围的肌肉样细胞放松,然后扩张血管,让更多的血液流入。

“毛细血管传统上被认为是红细胞的简单管道,以及血液和大脑之间的屏障,”共同资深作者、佛蒙特大学特聘教授Mark T. Nelson 博士说,“在这里,我们揭示了毛细血管中钙信号的未知世界,就像交通灯一样,这些钙信号将重要的营养物质引导到附近的活跃神经元。”

“找出疾病出了什么问题的第一步是确定系统如何正常工作,现在研究人员已经掌握了这个过程是如何运作的,他们可以开始研究阿尔茨海默病和痴呆症中的血流是如何被破坏的,并找出解决它的方法。”

(生物通:万纹)

原文标题:

Local IP3 receptor–mediated Ca2+ signals compound to direct blood flow in brain capillaries

https://advances.sciencemag.org/content/7/30/eabh0101

 

 

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