人脑消耗大量能量，这些能量几乎完全是由需要氧气的新陈代谢形式产生的。因此，有效、及时的氧气分配和输送对于健康的大脑功能至关重要，然而，这一过程的精确机制在很大程度上仍然不为科学家所知。
今天在《科学》杂志上描述的一种新的生物发光成像技术已经创建了小鼠大脑中氧气运动的高度详细且视觉上引人注目的图像。
该方法可以很容易地被其他实验室复制，将使研究人员能够更精确地研究缺氧的形式，例如中风或心脏病发作期间发生的大脑部分缺氧。它已经让我们深入了解为什么久坐的生活方式会增加患阿尔茨海默病等疾病的风险。
“这项研究表明，我们可以连续监测大脑大范围内氧气浓度的变化，”罗切斯特大学和波士顿大学转化神经医学中心联合主任 Maiken Nedergaard 说。哥本哈根。
Maiken Nedergaard 说：“这为我们提供了大脑中实时发生的情况的更详细图像，使我们能够识别以前未检测到的暂时缺氧区域，这些区域反映了可能引发神经缺陷的血流变化。”
萤火虫和偶然的科学
新方法采用了发光蛋白，这是萤火虫中发现的生物发光蛋白的化学近亲。这些蛋白质已用于癌症研究，它们利用病毒向细胞发出指令，以产生酶形式的发光蛋白质。当酶遇到称为呋喃嗪的底物时，化学反应会产生光。
与许多重要的科学发现一样，利用这一过程对大脑中的氧气进行成像是偶然发现的。哥本哈根大学转化神经科学中心助理教授 Felix Beinlich 最初打算使用发光蛋白来测量大脑中的钙活动。很明显，蛋白质生产中存在错误，导致研究延迟了数月之久。
在 Felix Beinlich 等待制造商提供新批次的同时，他决定继续进行实验，以测试和优化监控系统。该病毒用于向星形胶质细胞传递产生酶的指令，星形胶质细胞是大脑中无处不在的支持细胞，可维持神经元的健康和信号功能，并将底物直接注射到大脑中。
记录显示了通过生物发光强度波动来识别的活动，研究人员怀疑并且后来证实，这反映了氧气的存在和浓度。 “在这种情况下，化学反应依赖于氧气，因此当存在酶、底物和氧气时，系统开始发光，”Felix Beinlich 说。
虽然现有的氧气监测技术可以提供有关大脑一小部分区域的信息，但研究人员实时观察了小鼠的整个皮层。生物发光的强度与氧气浓度相对应，研究人员通过改变动物呼吸的空气中的氧气量来证明这一点。
光强度的变化也与感官处理相对应。例如，当用一股空气刺激小鼠的胡须时，研究人员可以看到大脑相应的感觉区域被点亮。
“缺氧区域”可能预示着患阿尔茨海默病的风险
大脑在没有氧气的情况下无法长时间生存，中风或心脏病发作后迅速出现的神经损伤就证明了这一点。但是，当大脑的一小部分短暂缺氧时会发生什么?
直到尼德加德实验室的团队开始仔细研究新录音之前，研究人员甚至没有提出这个问题。在监测小鼠时，研究人员观察到大脑的特定微小区域会间歇性变暗，有时持续几秒钟，这意味着氧气供应被切断。
氧气通过巨大的动脉网络和渗透脑组织的较小毛细血管(或微血管)在整个大脑中循环。通过一系列实验，研究人员能够确定由于毛细血管停滞而导致缺氧，当白细胞暂时阻塞微血管并阻止携带氧气的红细胞通过时就会发生这种情况。
研究人员将这些区域称为“缺氧区”，与小鼠活动时相比，它们在休息状态下的大脑中更为普遍。据信，毛细血管停滞会随着年龄的增长而增加，并且已在阿尔茨海默病模型中观察到。
Maiken Nedergaard 说：“研究一系列与大脑缺氧相关的疾病的大门是敞开的，包括阿尔茨海默病、血管性痴呆和长期新冠病毒，以及久坐的生活方式、衰老、高血压和其他因素如何导致这些疾病。”并补充道：
“它还提供了一种工具来测试不同的药物和运动类型，以改善血管健康并减缓痴呆症的发展。”
您可以在《科学》中阅读“在此处插入研究名称和链接”的研究。
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