紅細胞“流量”有助于腦氧合的變化

原創 GabrielleStewart 阿爾茨海默病

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

賓夕法尼亞州立大學官網7月15日消息

現在，賓夕法尼亞州立大學（Pennsylvania State University，PSU）的研究人員已經確定了波動的一個原因：紅細胞通過稱為毛細血管的微小血管的流速具有內在的隨機性。據研究人員稱，這種隨機性可能對理解神經退行性疾病（如阿爾茨海默病）的生物學形成機制具有潛在意義。研究人員在《公共科學圖書館：生物學》 (PLOS Biology)上發表了他們的發現。

研究于2021年7月15日發表在《PLOS Biology》（最新影響因子：7.076）雜志上

“這些氧合波動（oxygenation fluctuations）也發生在肌肉等其他組織中，”工程科學與力學、神經外科和生物醫學工程哈克杰出副教授Patrick Drew說，“我們的問題是：這些波動是由神經活動還是其他原因引起的？”

波動類似于 1/f 噪聲，這是一種統計模式，顯示由許多小波動組成的大波動，就像從股票市場價格到波動高度的各種現象中自然發生。據賓夕法尼亞州立大學神經科學研究所副所長Drew說，研究人員調查了由于小鼠大腦與人類大腦相似而導致的波動。

首先，研究人員監測了清醒小鼠大腦活動產生的血流、氧合和電信號——根據Drew的說法，這是第一次同時跟蹤后兩者。當小鼠在球形跑步機上一次活動長達 40 分鐘時，他們收集了數據。

Patrick Drew

接下來，為了研究大腦活動與氧合波動之間的關系，研究人員使用藥理學化合物暫時和可逆地抑制小鼠大腦中的神經信號。盡管沉默了，但波動仍在繼續，表明神經活動與氧合之間幾乎沒有相關性。

然而，紅細胞的通過卻講述了一個不同的故事。使用雙光子激光掃描顯微鏡，一種用于可視化活組織內部細胞的成像技術，研究人員可以可視化單個紅細胞通過毛細血管的通道。

“這就像交通，”Drew說，“有時有很多汽車經過，交通堵塞，有時沒有。紅細胞在接近交匯處時會以任何方式移動，因此這種隨機流動會導致血管內的交通出現瓶頸和停滯。”

將實驗數據導入統計模型使研究人員能夠運行進一步的模擬，并根據模型產生的大量數據進行推斷。研究人員發現，這些隨機的紅細胞中斷導致了氧合的波動，進一步支持了紅細胞通過毛細血管的流動與形成更大趨勢的氧合的微小變化之間的關系。

研究人員發現，紅細胞“流量”（頂部灰色條）似乎有助于氧合波動（白線），這與小鼠大腦（右上）的神經活動變化（底部藍色峰值）無關

Drew表示，更好地了解血液流動的調節和隨后的氧氣運輸可以幫助研究人員改進醫療技術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胞運輸和氧合之間的聯系，但還需要進一步研究來調查可能在神經退行性疾病中起作用的氧合波動的其他因素。

分子細胞和綜合生物科學學院間研究生項目的研究生 Kyle Gheres 也對本文做出了貢獻。工程科學與力學助理研究教授Qingguang Zhang為該論文的第一作者。這項工作得到了美國國立衛生研究院的支持。

創建于1855年的賓夕法尼亞州立大學

參考文獻

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

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