脑内皮细胞间隙连接耦合通过神经血管耦合实现快速血管舒张信号传递

本研究揭示了脑内皮细胞通过间隙连接（gap junction）耦合在神经血管耦合（neurovascular coupling）中的关键作用。作者开发了非侵入性示踪技术，发现动脉内皮细胞中连接蛋白Cx37和Cx40介导的长距离电信号传递是血管舒张快速传播的结构基础，这种机制确保了大脑能量需求的高效分配。

　　

脑内皮细胞间隙连接耦合机制解析

非侵入性可视化技术突破

研究团队创新性地开发了基于血清素转运体（SERT）的间隙连接示踪系统。通过双组分重组酶表达策略，在HEK293T细胞中实现了稀疏而强效的SERT表达。实验显示，血清素能通过间隙连接在细胞间扩散，而这一过程可被间隙连接抑制剂卡宾氧酮（carbenoxolone）阻断，或被选择性血清素再摄取抑制剂艾司西酞普兰（escitalopram）完全抑制。该技术为活体研究脑血管网络细胞间通讯提供了全新工具。

脑血管内皮细胞的连接蛋白分区表达

研究发现连接蛋白在脑内皮细胞中呈现明显的动静脉轴梯度表达：

• 动脉内皮细胞特异性表达Cx40（由Gja5编码）

• Cx37（Gja4）在动脉和微血管周细胞中富集

• Cx43（Gja1）在毛细血管连接处显著表达

• Cx45（Gjc1）则在静脉内皮细胞中占主导

  这种分区表达模式在视网膜血管网络中得到验证，单细胞测序数据进一步证实了连接蛋白的阶梯式分布特征。

基因敲除模型的构建与验证

研究者建立了动脉内皮细胞特异性双敲除小鼠模型（aEC Cx dKO），通过BMX:Cre^ERT2诱导删除Cx37和Cx40基因。电生理检测显示突变体内皮细胞膜电阻显著增加（64.1±11.6 MΩ vs 对照3.9±0.5 MΩ），膜电容急剧下降（71±30 pF vs 对照1,412±175 pF），证实间隙连接功能丧失。神经生物素示踪实验表明，在突变体中染料扩散范围从对照组的509±171个细胞锐减至4±2个细胞。

神经血管耦合的功能障碍

通过视觉刺激和光遗传学激活相结合的方法，研究发现：

1. 野生型小鼠的血管舒张信号以约4 mm/s的速度沿动脉网络传播

2. aEC Cx dKO突变体的信号传播速度降至1.5 mm/s

3. 突变体血管舒张幅度随距离衰减更快，空间范围缩小约50%

   值得注意的是，突变体在神经活动邻近区域的即时血管舒张反应保持完整，但长距离传播严重受损。全屏视觉刺激实验进一步显示，突变体无法像野生型那样按需扩大血管舒张范围。

机制模型与医学意义

研究提出了神经血管耦合的三步传导模型：

1. 毛细血管周细胞和内皮细胞通过K_ATP通道等感受神经活动

2. 超极化信号通过动脉内皮细胞的Cx37/Cx40间隙连接网络传导

3. 通过肌内皮间隙连接引起平滑肌细胞舒张

   该发现为理解脑功能成像的生理基础提供了新视角，同时提示脑血管内皮间隙连接功能障碍可能与神经退行性疾病中的血流调节异常相关。研究采用的血清素示踪技术为探索其他电耦合系统（如心脏传导系统）提供了通用方法学框架。