紅細(xì)胞“流量”對(duì)腦氧合變化的幫助

2021-07-19 08:47

充足的血流為大腦提供氧氣和營(yíng)養(yǎng)，但氧合作用傾向于以一種獨(dú)特的、一致的方式波動(dòng)。然而，人們對(duì)這種多樣化活動(dòng)的根源知之甚少。

賓夕法尼亞州立大學(xué)官網(wǎng)7月15日消息

現(xiàn)在，賓夕法尼亞州立大學(xué)（Pennsylvania State University，PSU）的研究人員已經(jīng)確定了波動(dòng)的一個(gè)原因：紅細(xì)胞通過(guò)稱(chēng)為毛細(xì)血管的微小血管的流速具有內(nèi)在的隨機(jī)性。據(jù)研究人員稱(chēng)，這種隨機(jī)性可能對(duì)理解神經(jīng)退行性疾病（如阿爾茨海默病）的生物學(xué)形成機(jī)制具有潛在意義。研究人員在《公共科學(xué)圖書(shū)館：生物學(xué)》（PLOS Biology）上發(fā)表了他們的發(fā)現(xiàn)。

研究于2021年7月15日發(fā)表在《PLOS Biology》（最新影響因子：7．076）雜志上

“這些氧合波動(dòng)（oxygenation fluctuations）也發(fā)生在肌肉等其他組織中，”工程科學(xué)與力學(xué)、神經(jīng)外科和生物醫(yī)學(xué)工程哈克杰出副教授Patrick Drew說(shuō)，“我們的問(wèn)題是：這些波動(dòng)是由神經(jīng)活動(dòng)還是其他原因引起的？”

波動(dòng)類(lèi)似于 1／f 噪聲，這是一種統(tǒng)計(jì)模式，顯示由許多小波動(dòng)組成的大波動(dòng)，就像從股票市場(chǎng)價(jià)格到波動(dòng)高度的各種現(xiàn)象中自然發(fā)生。據(jù)賓夕法尼亞州立大學(xué)神經(jīng)科學(xué)研究所副所長(zhǎng)Drew說(shuō)，研究人員調(diào)查了由于小鼠大腦與人類(lèi)大腦相似而導(dǎo)致的波動(dòng)。

首先，研究人員監(jiān)測(cè)了清醒小鼠大腦活動(dòng)產(chǎn)生的血流、氧合和電信號(hào)——根據(jù)Drew的說(shuō)法，這是第一次同時(shí)跟蹤后兩者。當(dāng)小鼠在球形跑步機(jī)上一次活動(dòng)長(zhǎng)達(dá) 40 分鐘時(shí)，他們收集了數(shù)據(jù)。

接下來(lái)，為了研究大腦活動(dòng)與氧合波動(dòng)之間的關(guān)系，研究人員使用藥理學(xué)化合物暫時(shí)和可逆地抑制小鼠大腦中的神經(jīng)信號(hào)。盡管沉默了，但波動(dòng)仍在繼續(xù)，表明神經(jīng)活動(dòng)與氧合之間幾乎沒(méi)有相關(guān)性。

然而，紅細(xì)胞的通過(guò)卻講述了一個(gè)不同的故事。使用雙光子激光掃描顯微鏡，一種用于可視化活組織內(nèi)部細(xì)胞的成像技術(shù)，研究人員可以可視化單個(gè)紅細(xì)胞通過(guò)毛細(xì)血管的通道。

“這就像交通，”Drew說(shuō)，“有時(shí)有很多汽車(chē)經(jīng)過(guò)，交通堵塞，有時(shí)沒(méi)有。紅細(xì)胞在接近交匯處時(shí)會(huì)以任何方式移動(dòng)，因此這種隨機(jī)流動(dòng)會(huì)導(dǎo)致血管內(nèi)的交通出現(xiàn)瓶頸和停滯。”

將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入統(tǒng)計(jì)模型使研究人員能夠運(yùn)行進(jìn)一步的模擬，并根據(jù)模型產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行推斷。研究人員發(fā)現(xiàn)，這些隨機(jī)的紅細(xì)胞中斷導(dǎo)致了氧合的波動(dòng)，進(jìn)一步支持了紅細(xì)胞通過(guò)毛細(xì)血管的流動(dòng)與形成更大趨勢(shì)的氧合的微小變化之間的關(guān)系。

研究人員發(fā)現(xiàn)，紅細(xì)胞“流量”（頂部灰色條）似乎有助于氧合波動(dòng)（白線(xiàn)），這與小鼠大腦（右上）的神經(jīng)活動(dòng)變化（底部藍(lán)色峰值）無(wú)關(guān)

Drew表示，更好地了解血液流動(dòng)的調(diào)節(jié)和隨后的氧氣運(yùn)輸可以幫助研究人員改進(jìn)醫(yī)療技術(shù)并探索阿爾茨海默病等疾病的原因。雖然研究人員確定了紅細(xì)胞運(yùn)輸和氧合之間的聯(lián)系，但還需要進(jìn)一步研究來(lái)調(diào)查可能在神經(jīng)退行性疾病中起作用的氧合波動(dòng)的其他因素。

分子細(xì)胞和綜合生物科學(xué)學(xué)院間研究生項(xiàng)目的研究生 Kyle Gheres 也對(duì)本文做出了貢獻(xiàn)。工程科學(xué)與力學(xué)助理研究教授Qingguang Zhang為該論文的第一作者。這項(xiàng)工作得到了美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院的支持。

參考文獻(xiàn)

Source：Pennsylvania State University

Redblood cell ＇traffic＇ contributes to changes in brain oxygenation

Reference：

QingguangZhang， Kyle W． Gheres， Patrick J． Drew． Origins of 1／f－like tissue oxygenationfluctuations in the murine cortex． PLOS Biology， 2021； 19 （7）： e3001298 DOI：10．1371／journal．pbio．300129