Cell：首次绘制小鼠大脑的血管发育完整图谱

　　

胎儿出生时，大脑远未发育成熟。在最初几周内，神经连接迅速形成，为神经细胞提供氧气和营养物质的血管也遵循类似的发育轨迹。然而，此前从未描述过整个大脑中的血管如何排布并适应神经元需求。

为了填补这一空白，巴黎脑研究所和蒙特利尔Sainte-Justine大学医院的研究人员近日绘制了小鼠大脑从出生到成年的血管发育完整图谱。

这项研究成果于4月14日发表在《Cell》杂志上，为研究发育期神经血管相互作用奠定了基础，也为小鼠出生后脑发育研究提供了资源。

共同通讯作者、巴黎脑研究所的Nicolas Renier博士表示：“许多神经系统疾病——包括神经发育障碍、脑血管疾病以及某种类型的癫痫——通常都与神经血管结构的轻微扰动有关。若要弄清这些疾病的成因，就必须了解正常发育的组成。而此前，这方面的参考标准尚未建立。”

之所以选择小鼠模型，是因为其在某些方面与胎儿大脑相似。小鼠出生后前两周的发育过程，恰好可以模拟胎儿大脑发育的最后三个月。

“在接下来的几周，我们能够了解胎儿出生前到青春期的脑血管形成机制。短短三周内，我们观察到的发育过程大致相当于人类十五年的发育，”共同第一作者、巴黎脑研究所的Elisa de Launoit解释说。

为了构建这份图谱，研究人员采用一种名为iDISCO+的化学技术将小鼠大脑透明化。随后，他们利用激光片层显微镜对大脑每个角落的血管进行成像，分辨率达到单个毛细血管的水平。

研究团队总共进行了50多次完整的血管重建，涉及到九个不同的发育阶段，从D3（出生后三天）到 D60（相当于青少年）。

“在如此精细的时间尺度上以高分辨率绘制整个大脑图谱是一项真正的技术挑战，我们为此忙碌了六年，” Renier指出。“小鼠的脑血管网络在出生时长度40米，到青春期时可达300米。”

研究人员随后将这些三维图像与空间转录组学数据相整合，构建出名为LAMBADA的图谱。目前，他们已公开这份资源（https://lambada.icm-institute.org），让其他团队能够以三维方式探索发育中的大脑，以及所有相关的分子和解剖学数据。

脑血管发育的三部曲

这项研究的结果挑战了脑血管发育的传统观点：脑血管发育并非匀速进行，而是分为三个明显不同的阶段。

Phase 1：均匀扩张（从出生到D7）

在出生后的第一周，血管会均匀生长，其生长速度与脑容量的增长及其能量需求成正比，就像建筑工地上不断延伸的脚手架一样。VEGF-A作为一种关键的血管生长因子，在此阶段发挥着核心作用。

Phase 2：区域特化（从D7到D21）

从第7天开始，血管开始根据大脑区域进行分化，以支持突触的形成和脑功能的出现。这一时期恰逢小鼠幼崽的首次感官体验：眼睛睁开，胡须生长并变得敏感，听觉也开始发育。

Phase 3：稳定阶段（从D21到成年）

血管网络逐渐完善：未使用的血管分支被消除，动脉发育成熟，成人大脑的最终结构逐渐成形。星形胶质细胞似乎起到“刹车”的作用，防止血管网络过度生长，从而促进血脑屏障的成熟。

在描述这三个阶段之后，研究人员对其分子环境进行了探究。通过将血管密度图与每个脑区的基因表达谱进行交叉比对，他们确定了在每个发育阶段调控神经元活动和血管生长之间相互作用的分子。

VEGF-A在第一阶段起主导作用，而在第二阶段，其他分子开始发挥作用。与神经元活动相关的两种分子Apelin和Wnt9a似乎引导血管在最需要的区域生长。相反，Slit2蛋白和血管紧张素原则作为抑制信号，防止不需要的区域出现过度血管化。

研究人员表示，LAMBADA图谱阐明了一个发育程序，其中大脑血管系统从缺氧驱动的均匀格状结构逐渐发展为高度特化的神经网络支持系统。

这一转变由神经元成熟主导，神经元通过活动依赖性配体驱动血管发育，而胶质细胞的成熟则提供了结构稳定性，确保血管网络与成年大脑的功能结构相匹配。