红细胞“流量”对脑氧合变化的帮助

充足的血流为大脑提供氧气和营养，但氧合作用倾向于以一种独特的、一致的方式波动。然而，人们对这种多样化活动的根源知之甚少。

宾夕法尼亚州立大学官网7月15日消息

现在，宾夕法尼亚州立大学（Pennsylvania State University，PSU）的研究人员已经确定了波动的一个原因：红细胞通过称为毛细血管的微小血管的流速具有内在的随机性。据研究人员称，这种随机性可能对理解神经退行性疾病（如阿尔茨海默病）的生物学形成机制具有潜在意义。研究人员在《公共科学图书馆：生物学》 （PLOS Biology）上发表了他们的发现。

研究于2021年7月15日发表在《PLOS Biology》（最新影响因子：7．076）杂志上

“这些氧合波动（oxygenation fluctuations）也发生在肌肉等其他组织中，”工程科学与力学、神经外科和生物医学工程哈克杰出副教授Patrick Drew说，“我们的问题是：这些波动是由神经活动还是其他原因引起的？”

波动类似于 1／f 噪声，这是一种统计模式，显示由许多小波动组成的大波动，就像从股票市场价格到波动高度的各种现象中自然发生。据宾夕法尼亚州立大学神经科学研究所副所长Drew说，研究人员调查了由于小鼠大脑与人类大脑相似而导致的波动。

首先，研究人员监测了清醒小鼠大脑活动产生的血流、氧合和电信号——根据Drew的说法，这是第一次同时跟踪后两者。当小鼠在球形跑步机上一次活动长达 40 分钟时，他们收集了数据。

接下来，为了研究大脑活动与氧合波动之间的关系，研究人员使用药理学化合物暂时和可逆地抑制小鼠大脑中的神经信号。尽管沉默了，但波动仍在继续，表明神经活动与氧合之间几乎没有相关性。

然而，红细胞的通过却讲述了一个不同的故事。使用双光子激光扫描显微镜，一种用于可视化活组织内部细胞的成像技术，研究人员可以可视化单个红细胞通过毛细血管的通道。

“这就像交通，”Drew说，“有时有很多汽车经过，交通堵塞，有时没有。红细胞在接近交汇处时会以任何方式移动，因此这种随机流动会导致血管内的交通出现瓶颈和停滞。”

将实验数据导入统计模型使研究人员能够运行进一步的模拟，并根据模型产生的大量数据进行推断。研究人员发现，这些随机的红细胞中断导致了氧合的波动，进一步支持了红细胞通过毛细血管的流动与形成更大趋势的氧合的微小变化之间的关系。

研究人员发现，红细胞“流量”（顶部灰色条）似乎有助于氧合波动（白线），这与小鼠大脑（右上）的神经活动变化（底部蓝色峰值）无关

Drew表示，更好地了解血液流动的调节和随后的氧气运输可以帮助研究人员改进医疗技术并探索阿尔茨海默病等疾病的原因。虽然研究人员确定了红细胞运输和氧合之间的联系，但还需要进一步研究来调查可能在神经退行性疾病中起作用的氧合波动的其他因素。

分子细胞和综合生物科学学院间研究生项目的研究生 Kyle Gheres 也对本文做出了贡献。工程科学与力学助理研究教授Qingguang Zhang为该论文的第一作者。这项工作得到了美国国立卫生研究院的支持。

参考文献

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