一項新研究介紹了一種名為“電-鈣偶聯(lián)” 的過程，該過程整合了腦毛細血管中的電信號和鈣信號，以確保向活躍神經(jīng)元精確輸送血液。為治療卒中和失智癥提供了新見解。

《EurekAlert》

12月9日

由佛蒙特大學（University of Vermont，UVM）拉納醫(yī)學院（Larner College of Medicine）的 Mark Nelson 博士帶領(lǐng)的 UVM 科學家團隊，揭示了一種新機制，這一機制重塑了我們對腦血流調(diào)節(jié)方式的理解。該研究發(fā)表于《美國國家科學院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences，PNAS），介紹了一種名為“電-鈣偶聯(lián)”（Electro-Calcium Coupling，E-Ca Coupling）的過程，該過程整合了腦毛細血管中的電信號和鈣信號，以確保向活躍神經(jīng)元精確輸送血液。論文題目“腦毛細血管中的電鈣偶聯(lián)：快速傳播的電信號觸發(fā)局部鈣信號”（Electrocalcium coupling in brain capillaries: Rapidly traveling electrical signals ignite local calcium signals）。

研究于2024年12月9日發(fā)表在《Proceedings of the National Academy of Sciences》（最新影響因子：9.4）雜志上

在人體中，血液從表面動脈通過穿通動脈（從動脈分支出的小血管）以及數(shù)百英里長的毛細血管輸送到大腦，這些毛細血管極大地擴展了灌注區(qū)域。大腦是一個代謝需求極高且缺乏大量能量儲備的器官，它能夠在血壓波動的情況下維持恒定的血流（自動調(diào)節(jié)），但依賴于按需輸送過程，即神經(jīng)元活動觸發(fā)局部血流增加，以選擇性地向活躍區(qū)域分配氧氣和營養(yǎng)物質(zhì)。

 Nelson 表示：“這種由神經(jīng)血管偶聯(lián)（Neurovascular coupling，NVC）機制共同介導的使用依賴性局部血流增加（功能性充血）對于正常大腦功能至關(guān)重要，并且是功能性磁共振成像（fMRI）的生理基礎(chǔ)。此外，包括功能性充血在內(nèi)的腦血流（Cerebral blood flow，CBF）不足是腦小血管病（Small vessel diseases，SVD）和阿爾茨海默病在出現(xiàn)明顯臨床癥狀之前的早期特征。”

腦血流輸送依賴于電信號機制，該機制通過毛細血管網(wǎng)絡(luò)傳播至上游動脈小血管以輸送血液，還依賴于鈣信號機制，該機制對局部血流進行微調(diào)。多年來，人們一直認為這些機制是獨立運作的。然而，Nelson 的研究揭示，這些系統(tǒng)通過 E-Ca 偶聯(lián)緊密相連，其中電信號增強鈣進入細胞，放大局部信號并將其影響擴展到鄰近細胞。

 研究表明，毛細血管細胞的電超極化通過激活毛細血管內(nèi)皮細胞中的 Kir2.1 通道迅速傳播，這些通道是細胞膜上的特殊蛋白質(zhì)，能夠檢測鉀水平的變化并通過細胞間傳遞來放大電信號。這會在毛細血管網(wǎng)絡(luò)中形成波浪狀的電信號。同時，由 IP3 受體（位于細胞內(nèi)儲存部位的膜上的蛋白質(zhì)）引發(fā)的鈣信號會對特定的化學信號做出反應(yīng)，釋放儲存的鈣，通過觸發(fā)血管反應(yīng)來微調(diào)血流。E-Ca 偶聯(lián)將這兩個過程連接起來，Kir2.1通道產(chǎn)生的電波增強了鈣活性，形成了一個同步系統(tǒng)，既能局部調(diào)整血流，也能在更廣泛的范圍內(nèi)調(diào)整血流。

 研究人員使用先進的成像技術(shù)和計算機模型，觀察了這一機制的實際作用。他們發(fā)現(xiàn)，毛細血管細胞中的電信號使鈣活性提高了 76%，顯著增強了其影響血流的能力。當團隊通過刺激這些細胞來模擬大腦活動時，鈣信號增加了 35%，顯示了這些信號如何在毛細血管網(wǎng)絡(luò)中傳播。有趣的是，他們發(fā)現(xiàn)信號在毛細血管床中均勻傳播，確保所有區(qū)域的血流保持平衡，而不偏向某一方向。

Nelson 指出：“最近，UVM 團隊還證明，腦小血管病和阿爾茨海默病中的腦血流不足可以通過電信號的一個關(guān)鍵輔因子來糾正。當前的研究表明，鈣信號也可能得到恢復(fù)。可以這么說，我們的‘圣杯’是早期恢復(fù)腦血管病的腦血流能否減緩認知能力下降。”

 這一發(fā)現(xiàn)強調(diào)了毛細血管在調(diào)節(jié)大腦血流中的關(guān)鍵作用。通過研究電信號和鈣信號如何通過電-鈣偶聯(lián)協(xié)同工作，該研究揭示了大腦高效地將血液輸送到對氧氣和營養(yǎng)物質(zhì)需求最大的區(qū)域的能力。這尤為重要，因為血流中斷是許多神經(jīng)系統(tǒng)疾病（如卒中、失智癥和阿爾茨海默�。�的標志性特征。了解 E-Ca 偶聯(lián)的機制為探索這些疾病的治療方法提供了新的框架，可能開發(fā)出恢復(fù)或增強血流并保護大腦健康的治療方法。這一突破還提供了對大腦如何維持能量平衡的更深入理解，這對于維持認知和軀體功能至關(guān)重要。

創(chuàng)立于1791年的佛蒙特大學

參考文獻

Source：University of Vermont

UVM research team unveils breakthrough mechanism in brain blood flow regulation

Reference：

Mughal, Amreen et al, Electrocalcium coupling in brain capillaries: Rapidly traveling electrical signals ignite local calcium signals, Proceedings of the National Academy of Sciences (2024). DOI: 10.1073/pnas.2415047121. doi.org/10.1073/pnas.2415047121

關(guān)愛父母 關(guān)注阿爾茨海默病

       原文標題 : 揭示腦血流調(diào)節(jié)機制的重大突破