Science：新的成像方法揭示了氧气在大脑中的旅程

研究人员现在可以实时观察氧气是如何在小鼠的大脑中移动的。这可以为老年痴呆症、中风和心脏病等疾病提供见解。

　　

人类大脑消耗了大量的能量，这些能量几乎完全来自一种需要氧气的新陈代谢形式。因此，有效和及时地分配和输送氧气对健康的大脑功能至关重要，然而，这一过程的确切机制在很大程度上对科学家来说仍然是未知的。

发表在《科学》(Science)杂志上的一项新的生物发光成像技术，创造了非常详细、视觉上引人注目的小鼠大脑中氧气运动的图像。

这种方法很容易被其他实验室复制，它将使研究人员能够更精确地研究缺氧的形式，比如中风或心脏病发作时大脑部分缺氧。这项研究已经深入了解了为什么久坐不动的生活方式会增加患阿尔茨海默病等疾病的风险。

“这项研究表明，我们可以连续监测大脑大范围内氧浓度的变化，”罗切斯特大学和哥本哈根大学转化神经医学中心的联合主任Maiken Nedergaard说。

Maiken Nedergaard说:“这为我们提供了一个更详细的图像，实时了解大脑中发生了什么，使我们能够识别以前未被发现的暂时缺氧区域，这反映了血液流动的变化，可能引发神经功能障碍。”

萤火虫和偶然的科学

这种新方法使用了发光蛋白，这是在萤火虫中发现的生物发光蛋白的化学表亲。这些已被用于癌症研究的蛋白质，利用一种病毒向细胞传递指令，以酶的形式产生发光蛋白质。当这种酶遇到它的底物furimazine时，化学反应就会产生光。

像许多重要的科学发现一样，利用这个过程来成像大脑中的氧气是偶然发现的。哥本哈根大学转化神经科学中心的助理教授Felix Beinlich最初打算用发光蛋白来测量大脑中的钙活性。很明显，蛋白质生产过程中出现了错误，导致了长达数月的研究延迟。

当Felix Beinlich等待制造商的新一批产品时，他决定继续进行实验，以测试和优化监测系统。这种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普遍存在的支持细胞，维持神经元的健康和信号功能，这种底物被直接注射到大脑中。

这些记录揭示了生物发光强度波动的活动，研究人员怀疑这反映了氧气的存在和浓度，后来证实了这一点。Felix Beinlich说:“在这种情况下，化学反应依赖于氧气，所以当有酶、底物和氧气时，系统就开始发光。”

虽然现有的氧气监测技术只能提供大脑一小块区域的信息，但研究人员可以实时观察到小鼠的整个大脑皮层。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的空气中的氧气量来证明这一点。

光强度的变化也与感觉处理相对应。例如，当一股空气刺激老鼠的胡须时，研究人员可以看到大脑相应的感觉区域亮了起来。

“缺氧口袋”可能预示着老年痴呆症的风险

大脑在没有氧气的情况下无法存活很长时间，中风或心脏病发作后迅速造成的神经损伤就证明了这一点。但是，当大脑的一小部分短暂缺氧时会发生什么呢?

直到Nedergaard实验室的研究小组开始仔细研究新的录音，这个问题才被研究人员提出。在监测小鼠的过程中，研究人员观察到，大脑的特定微小区域会间歇性地变暗，有时会持续几秒钟，这意味着氧气供应被切断。

氧气通过一个由动脉和毛细血管组成的巨大网络在大脑中循环，毛细血管渗透到脑组织中。??通过一系列实验，研究人员能够确定氧气被拒绝是由于毛细血管阻塞，当白细胞暂时阻塞微血管并阻止携带氧气的红细胞通过时，就会发生这种情况。

研究人员将这些区域命名为“缺氧口袋”，与小鼠活动时相比，它们在静息状态下的大脑中更为普遍。毛细血管停滞被认为随着年龄的增长而增加，并在阿尔茨海默病模型中观察到。

Maiken Nedergaard说:“我们可以研究一系列与大脑缺氧相关的疾病，包括阿尔茨海默氏症、血管性痴呆和长期COVID，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。”

“它还提供了一种工具来测试不同的药物和运动类型，这些药物和运动可以改善血管健康，减缓痴呆症的发展。”