钙如何精确引导大脑中的血液流动？

与身体的其他部分不同，大脑中没有足够的空间来储存能量。相反，大脑依靠其内数百英里的血管通过血液提供新鲜能量。然而，直到现在，人们对大脑如何在活动增加时表达对更多能量的需求，然后将其血液供应导向特定的热点，还知之甚少。

马里兰大学医学院官网7月21日消息

现在，马里兰大学医学院（University of Maryland School of Medicine）和佛蒙特大学（University of Vermont）的研究人员已经展示了大脑在需要能量时如何与血管通信，以及这些血管如何通过放松或收缩以将血流引导至特定大脑区域来做出反应。

研究人员在 7 月 21 日发表在《科学进展》（Science Advances）杂志上的新论文中表示，了解大脑如何以复杂的细节将能量引导至自身，有助于确定在阿尔茨海默病和失智症等疾病中出了什么问题，在这些疾病中，有缺陷的血流可以预测认知障碍。如果大脑在需要的时候没有将血液输送到需要的地方，神经元就会变得紧张，随着时间的推移，它们会恶化，最终导致认知能力下降和记忆问题。

研究于2021年7月21日发表在《Science Advances》（最新影响因子：13．117）杂志上

大动脉为称为小动脉的中型血管提供营养，然后再为更细小的毛细血管（小到一次只能通过一个血细胞）提供营养。在 2017 年发表在《自然－神经科学》（Nature Neuroscience）的一篇论文中，研究人员表明，通过毛细血管的电脉冲可以引导血液从供应大脑大面积区域的中等大小的小动脉流出。在这篇最新论文中，该团队希望研究血液流经毛细血管时的微调，以精确调节大脑微小区域的能量供应。

2017年3月20日发表在《Nature Neuroscience》（最新影响因子：20．071）杂志上的研究

“似乎有两种机制协同工作以确保血液形式的能量进入大脑的特定区域：一种是广泛的，另一种是精确的，” 马里兰大学医学院生理学助理教授 Thomas Longden 博士说，“第一个电机制就像一把大锤，通过控制中等大小的小动脉，将更多的血液输送到大脑活动增加的附近，然后毛细血管钙信号确保精细的微调，以确保血液在正确的时间通过微小的毛细血管到达正确的位置。”

Longden 博士和他的合作者使用了一种蛋白质，当细胞中钙含量增加时，该蛋白质会发出绿光。由于康奈尔大学（Cornell University） Michael Kotlikoff 团队的努力，他们能够在小鼠血管内壁的细胞中开启这种工具。然后，研究人员通过这些小鼠大脑中的小窗口观察钙在控制大脑毛细血管血流中的作用。当血管内的细胞收到钙的流入时，它们会发出绿色的光。他们在透过窗口可见的大脑小部分的毛细血管中每秒检测到 5，000 个钙信号，他们说这相当于整个大脑血管系统中每秒大约 1，000，000 个这样的反应。

“在我们部署这项新技术之前，大脑中存在着完全看不见的钙信号世界，现在我们可以看到大脑血管内的大量活动——它们不断地放电，”Longden博士说。

Longden 博士和研究团队随后剖析了钙在引导血液逐支通过大脑微血管方面的作用背后的复杂细胞机制。他们发现，当神经元发出电信号时，它们会导致血管内壁细胞中的钙含量增加。然后酶检测这种钙并引导细胞制造一氧化氮。一氧化氮是一种激素（也是一种气体），它会导致血管周围的肌肉样细胞放松，然后扩张血管，让更多的血液流入。

“毛细血管传统上被认为是红细胞的简单管道，以及血液和大脑之间的屏障，”共同资深作者、佛蒙特大学特聘教授兼药理学主席 Mark T． Nelson 博士说，“在这里，我们揭示了毛细血管中钙信号的未知世界，就像交通灯一样，这些钙信号将重要的营养物质引导到附近的活跃神经元。”

“找出疾病中出错的第一步是确定系统如何正常工作，”马里兰大学巴尔的摩分校（UM Baltimore）医学事务执行副总裁、医学博士、工商管理硕士和马里兰大学医学院John Z． and Akiko K． Bowers杰出教授兼院长E． Albert Reece说，“现在，研究人员已经掌握了这一过程是如何工作的，他们可以开始研究阿尔茨海默病和失智症的血流是如何中断的，以便找到修复的方法。”

创立于1807年的马里兰大学医学院

参考文献

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）． https：／／doi．org／10．1038／nn．4533

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