與身體的其他部分不同，大腦中沒(méi)有足夠的空間來(lái)儲(chǔ)存能量。相反，大腦依靠其內(nèi)數(shù)百英里的血管通過(guò)血液提供新鮮能量。然而，直到現(xiàn)在，人們對(duì)大腦如何在活動(dòng)增加時(shí)表達(dá)對(duì)更多能量的需求，然后將其血液供應(yīng)導(dǎo)向特定的熱點(diǎn)，還知之甚少。

馬里蘭大學(xué)醫(yī)學(xué)院官網(wǎng)7月21日消息

現(xiàn)在，馬里蘭大學(xué)醫(yī)學(xué)院（University of Maryland School of Medicine）和佛蒙特大學(xué)（University of Vermont）的研究人員已經(jīng)展示了大腦在需要能量時(shí)如何與血管通信，以及這些血管如何通過(guò)放松或收縮以將血流引導(dǎo)至特定大腦區(qū)域來(lái)做出反應(yīng)。

研究人員在 7 月 21 日發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》（Science Advances）雜志上的新論文中表示，了解大腦如何以復(fù)雜的細(xì)節(jié)將能量引導(dǎo)至自身，有助于確定在阿爾茨海默病和失智癥等疾病中出了什么問(wèn)題，在這些疾病中，有缺陷的血流可以預(yù)測(cè)認(rèn)知障礙。如果大腦在需要的時(shí)候沒(méi)有將血液輸送到需要的地方，神經(jīng)元就會(huì)變得緊張，隨著時(shí)間的推移，它們會(huì)惡化，最終導(dǎo)致認(rèn)知能力下降和記憶問(wèn)題。

研究于2021年7月21日發(fā)表在《Science Advances》（最新影響因子：13．117）雜志上

大動(dòng)脈為稱(chēng)為小動(dòng)脈的中型血管提供營(yíng)養(yǎng)，然后再為更細(xì)小的毛細(xì)血管（小到一次只能通過(guò)一個(gè)血細(xì)胞）提供營(yíng)養(yǎng)。在 2017 年發(fā)表在《自然－神經(jīng)科學(xué)》（Nature Neuroscience）的一篇論文中，研究人員表明，通過(guò)毛細(xì)血管的電脈沖可以引導(dǎo)血液從供應(yīng)大腦大面積區(qū)域的中等大小的小動(dòng)脈流出。在這篇最新論文中，該團(tuán)隊(duì)希望研究血液流經(jīng)毛細(xì)血管時(shí)的微調(diào)，以精確調(diào)節(jié)大腦微小區(qū)域的能量供應(yīng)。

2017年3月20日發(fā)表在《Nature Neuroscience》（最新影響因子：20．071）雜志上的研究

“似乎有兩種機(jī)制協(xié)同工作以確保血液形式的能量進(jìn)入大腦的特定區(qū)域：一種是廣泛的，另一種是精確的，” 馬里蘭大學(xué)醫(yī)學(xué)院生理學(xué)助理教授 Thomas Longden 博士說(shuō)，“第一個(gè)電機(jī)制就像一把大錘，通過(guò)控制中等大小的小動(dòng)脈，將更多的血液輸送到大腦活動(dòng)增加的附近，然后毛細(xì)血管鈣信號(hào)確保精細(xì)的微調(diào)，以確保血液在正確的時(shí)間通過(guò)微小的毛細(xì)血管到達(dá)正確的位置�！�

Longden 博士和他的合作者使用了一種蛋白質(zhì)，當(dāng)細(xì)胞中鈣含量增加時(shí)，該蛋白質(zhì)會(huì)發(fā)出綠光。由于康奈爾大學(xué)（Cornell University） Michael Kotlikoff 團(tuán)隊(duì)的努力，他們能夠在小鼠血管內(nèi)壁的細(xì)胞中開(kāi)啟這種工具。然后，研究人員通過(guò)這些小鼠大腦中的小窗口觀察鈣在控制大腦毛細(xì)血管血流中的作用。當(dāng)血管內(nèi)的細(xì)胞收到鈣的流入時(shí)，它們會(huì)發(fā)出綠色的光。他們?cè)谕高^(guò)窗口可見(jiàn)的大腦小部分的毛細(xì)血管中每秒檢測(cè)到 5，000 個(gè)鈣信號(hào)，他們說(shuō)這相當(dāng)于整個(gè)大腦血管系統(tǒng)中每秒大約 1，000，000 個(gè)這樣的反應(yīng)。

“在我們部署這項(xiàng)新技術(shù)之前，大腦中存在著完全看不見(jiàn)的鈣信號(hào)世界，現(xiàn)在我們可以看到大腦血管內(nèi)的大量活動(dòng)——它們不斷地放電，”Longden博士說(shuō)。

Longden 博士和研究團(tuán)隊(duì)隨后剖析了鈣在引導(dǎo)血液逐支通過(guò)大腦微血管方面的作用背后的復(fù)雜細(xì)胞機(jī)制。他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)神經(jīng)元發(fā)出電信號(hào)時(shí)，它們會(huì)導(dǎo)致血管內(nèi)壁細(xì)胞中的鈣含量增加。然后酶檢測(cè)這種鈣并引導(dǎo)細(xì)胞制造一氧化氮。一氧化氮是一種激素（也是一種氣體），它會(huì)導(dǎo)致血管周?chē)�的肌肉樣�?xì)胞放松，然后擴(kuò)張血管，讓更多的血液流入。

“毛細(xì)血管傳統(tǒng)上被認(rèn)為是紅細(xì)胞的簡(jiǎn)單管道，以及血液和大腦之間的屏障，”共同資深作者、佛蒙特大學(xué)特聘教授兼藥理學(xué)主席 Mark T． Nelson 博士說(shuō)，“在這里，我們揭示了毛細(xì)血管中鈣信號(hào)的未知世界，就像交通燈一樣，這些鈣信號(hào)將重要的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)引導(dǎo)到附近的活躍神經(jīng)元�！�

“找出疾病中出錯(cuò)的第一步是確定系統(tǒng)如何正常工作，”馬里蘭大學(xué)巴爾的摩分校（UM Baltimore）醫(yī)學(xué)事務(wù)執(zhí)行副總裁、醫(yī)學(xué)博士、工商管理碩士和馬里蘭大學(xué)醫(yī)學(xué)院John Z． and Akiko K． Bowers杰出教授兼院長(zhǎng)E． Albert Reece說(shuō)，“現(xiàn)在，研究人員已經(jīng)掌握了這一過(guò)程是如何工作的，他們可以開(kāi)始研究阿爾茨海默病和失智癥的血流是如何中斷的，以便找到修復(fù)的方法�！�

創(chuàng)立于1807年的馬里蘭大學(xué)醫(yī)學(xué)院

參考文獻(xiàn)

Source：University of Maryland School of Medicine

University of Maryland School of Medicine Study Finds Calcium Precisely Directs Blood Flow in the Brain

References：

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

BY THOMAS A． LONGDEN， AMREEN MUGHAL， GRANT W． HENNIG， OSAMA F． HARRAZ， BO SHUI， FRANK K． LEE， JANE C． LEE， SHAUN REINING， MICHAEL I． KOTLIKOFF， GABRIELE M． K?NIG， EVI KOSTENIS， DAVID HILL－EUBANKS， MARK T． NELSON

SCIENCE ADVANCES21 JUL 2021 ： EABH0101

Brain capillary calcium signaling controls blood flow．

［2］． Longden， T．， Dabertrand， F．， Koide， M． et al． Capillary K＋－sensing initiates retrograde hyperpolarization to increase local cerebral blood flow． Nat Neurosci 20， 717–726 （2017）． 

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