瑞沃德對(duì)話神經(jīng)科學(xué)頂刊一作西湖大學(xué)張冬冬博士

這是一檔關(guān)注“生命科學(xué)行業(yè)變化”的專題欄目。我們將從合作伙伴入手，每一期研究和解讀一家科研機(jī)構(gòu)或科研課題組、實(shí)驗(yàn)室的背后故事、相關(guān)方法論、使用的工具等等，幫助科研從業(yè)者獲得啟發(fā)和思考。

不久前，西湖大學(xué)賈潔敏團(tuán)隊(duì)在Nature Neuroscience期刊上發(fā)表題為Synaptic-like transmission between neural axons and arteriolar smooth muscle cells drives cerebral neurovascular coupling的研究論文，該研究證實(shí)單個(gè)谷氨酸能神經(jīng)元軸突通過(guò)神經(jīng)-小動(dòng)脈平滑肌細(xì)胞(arteriolar smooth muscle cells, aSMCs)連接之間的突觸樣傳遞來(lái)擴(kuò)張其支配的小動(dòng)脈。這一發(fā)現(xiàn)揭示了神經(jīng)元與腦血管直接對(duì)話的一座“新橋梁”，也為理解腦血流的快速和精準(zhǔn)調(diào)控提供了一個(gè)全新的認(rèn)知。
 

本期【沃的研究所】，我們將對(duì)話文章的第一作者張冬冬博士，一起了解神經(jīng)血管耦合的機(jī)制。

沖破歷史研究，
為腦血流調(diào)節(jié)機(jī)制提供全新認(rèn)知

血液供應(yīng)為大腦中的神經(jīng)計(jì)算提供能量，計(jì)算活動(dòng)的波動(dòng)會(huì)在數(shù)秒內(nèi)引起局部腦血流(cerebral blood flow, CBF) 的相應(yīng)變化，這一現(xiàn)象稱為神經(jīng)血管耦合(Neurovascular coupling, NVC)。NVC功能受損，可導(dǎo)致腦微循環(huán)缺血缺氧，影響局部神經(jīng)信號(hào)傳導(dǎo)，引起并加重腦小血管疾病，甚至造成認(rèn)知功能障礙、癡呆等。

由于大腦的代謝神經(jīng)元活化是需要能量的，且本身不能儲(chǔ)存能量，所以這些能量主要來(lái)源于血液供給。張冬冬博士說(shuō)道，“既然血液供給對(duì)于大腦活動(dòng)如此重要，那么神經(jīng)元活化后是如何將信息傳遞給血流的？”這成為了研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探索的出發(fā)點(diǎn)。

事實(shí)上，雖然神經(jīng)元活化對(duì)血流的調(diào)控機(jī)制已經(jīng)有130多年的研究歷史，但是對(duì)相關(guān)機(jī)制的探索研究目前仍處于探索階段。“神經(jīng)元活化如何去調(diào)節(jié)腦血流？這個(gè)過(guò)程中傳遞了哪些信息？什么時(shí)候來(lái)傳遞這個(gè)信息？是否還存在已知調(diào)節(jié)機(jī)制之外的其他未知機(jī)制來(lái)調(diào)節(jié)血流呢？”張冬冬博士在談及實(shí)驗(yàn)初衷時(shí)提到，“對(duì)于神經(jīng)血管耦合，我們能做的還有很多。”

采用先進(jìn)設(shè)備，用時(shí)間沉淀成果

為了探究大腦神經(jīng)元活化調(diào)節(jié)血流的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，研究團(tuán)隊(duì)利用了大體積三維掃描電鏡和光電聯(lián)合技術(shù)，通過(guò)三維掃描電鏡成像，解析出整個(gè)動(dòng)脈以及動(dòng)脈周圍腦組織其他細(xì)胞之間空間上的關(guān)聯(lián)。

科學(xué)探索，路漫漫而長(zhǎng)遠(yuǎn)。

張冬冬博士從2017年便開(kāi)始了該項(xiàng)實(shí)驗(yàn)研究，歷經(jīng)6年時(shí)間才有了今天的成果。“結(jié)構(gòu)決定功能”，而在對(duì)動(dòng)脈與周圍血管組織、細(xì)胞間的結(jié)構(gòu)探討這一過(guò)程中，他不禁感慨：“我們采集了近30個(gè)T的電鏡數(shù)據(jù)，并且還要再繼續(xù)分析重構(gòu)腦組織、細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)以及血管結(jié)構(gòu)。僅在這個(gè)過(guò)程，前前后后就花費(fèi)了兩三年的時(shí)間，工作量特別大。”

在該項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，終足對(duì)于穿支動(dòng)脈的包裹率，是全世界首次進(jìn)行解析。張冬冬博士介紹道，通過(guò)三維電鏡掃描，他們發(fā)現(xiàn)星形膠質(zhì)細(xì)胞終足對(duì)穿支動(dòng)脈的包裹率并不是100%，反而存在“漏洞”。血管周圍神經(jīng)元軸突的子突觸前會(huì)穿過(guò)這些漏洞，直接與動(dòng)脈血管形成物理連接。這一結(jié)構(gòu)為神經(jīng)元與血管之間的對(duì)話提供了一座前所未見(jiàn)的“新橋梁”。

在功能基礎(chǔ)驗(yàn)證過(guò)程中，研究團(tuán)隊(duì)用到了瑞沃德激光散斑血流成像系統(tǒng)，張冬冬博士表示，通過(guò)使用該儀器，能夠大范圍看腦血流的變化，從而發(fā)現(xiàn)了神經(jīng)元軸突末端跟動(dòng)脈循環(huán)細(xì)胞之間形成的連接，可以調(diào)節(jié)血流以及調(diào)節(jié)動(dòng)脈的舒張。

研究團(tuán)隊(duì)用到瑞沃德激光散斑血流成像系統(tǒng)來(lái)監(jiān)測(cè)血流變化

“非常感謝瑞沃德激光散斑血流成像系統(tǒng)，這成為了我們實(shí)驗(yàn)過(guò)程中探究生理功能上腦血流變化的一個(gè)非常重要的儀器，幫助到我們很多”。

除此之外，在研究團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)室中還能見(jiàn)到不少瑞沃德其他產(chǎn)品的身影，比如手術(shù)器械、腦立體定位儀、移動(dòng)式呼吸麻醉等。“這些產(chǎn)品用下來(lái)感覺(jué)都很好”，張冬冬博士再一次對(duì)瑞沃德產(chǎn)品給予了認(rèn)可，并對(duì)其中一些產(chǎn)品的優(yōu)化方向也提出了寶貴建議。

西湖大學(xué)實(shí)驗(yàn)室瑞沃德散斑

不懼失敗，講究方法，
科研是人生的一種選擇

2017年，那時(shí)的西湖大學(xué)叫做浙江西湖高等研究院，張冬冬博士是當(dāng)時(shí)的第一批博士研究生。而在這之前，他在碩士時(shí)期的研究方向是中風(fēng)，這和當(dāng)時(shí)西湖大學(xué)生科院里五位PI中賈老師的研究方向最匹配，考慮到將來(lái)的研究方向和個(gè)人發(fā)展，他順利地加入了賈老師課題組。

“當(dāng)時(shí)加入，賈老師并沒(méi)有要求我要待幾年，而是和我強(qiáng)調(diào)博士期間你有了什么樣的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，你能解決什么科學(xué)問(wèn)題，你能給領(lǐng)域甚至是社會(huì)帶來(lái)什么價(jià)值，這些才是最重要的。”

張冬冬博士深受賈老師啟蒙。“所以，就這樣，我成為了賈老師的第一個(gè)學(xué)生。”

該研究成果第一作者2017級(jí)博士研究生張冬冬（左）與導(dǎo)師賈潔敏（右）合影（攝于2017年）

科研需要投入大量時(shí)間、經(jīng)歷去進(jìn)行一些重復(fù)性的工作熱情，需要保持足夠的興趣，高度的專注，才能有所收獲。張冬冬博士內(nèi)心也早已明確自己選擇科研，堅(jiān)持讀博是為了享受科學(xué)探究帶來(lái)的快樂(lè)。“原本博士三年我就可以發(fā)一篇文章然后順利畢業(yè)，但我依然選擇堅(jiān)持做到5年，至今7年。正如賈老師當(dāng)時(shí)所言，相比博士畢業(yè)，博士期間研究的課題有什么樣的意義才更重要。”

說(shuō)來(lái)，還是內(nèi)在驅(qū)動(dòng)力，讓張冬冬博士自始至終都堅(jiān)定信念，對(duì)科研路上的困難和挑戰(zhàn)甘之如飴。

“從事科研，首先你要問(wèn)自己為什么要做科研，是否對(duì)它感興趣。”張冬冬博士并不屈于日復(fù)一日重復(fù)枯燥的實(shí)驗(yàn)與工作，而探索未知，滿足好奇心正是他覺(jué)得科研充滿樂(lè)趣所在。“其次，科學(xué)實(shí)驗(yàn)必定存在著失敗，你抱著什么樣的心態(tài)面對(duì)失敗這很重要,一定要有一種在失敗中站起來(lái)的勇氣。”科研路上，勇于面對(duì)失敗，才能走向真正的成功。

由于張冬冬博士是賈老師的第一個(gè)學(xué)生，加上那時(shí)的西湖大學(xué)很多平臺(tái)都還沒(méi)有建立起來(lái)，所以大部分實(shí)驗(yàn)都是他自己在進(jìn)行探索。提及當(dāng)時(shí)一些陌生的實(shí)驗(yàn)手段和技術(shù)，他也非常感謝專業(yè)人員給予的幫助。“遇到困難時(shí)，很重要的一點(diǎn)，就是一定要學(xué)會(huì)向一些領(lǐng)域內(nèi)的專家虛心請(qǐng)教。即便你是從零開(kāi)始，也會(huì)更有利于你去解決一些問(wèn)題。”對(duì)于如何克服實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的失敗與困難，張冬冬博士也和我們分享著他自己的經(jīng)驗(yàn)。

經(jīng)過(guò)時(shí)間的沉淀和個(gè)人的努力付出，張冬冬博士在自己的研究領(lǐng)域下也有了不少收獲，對(duì)于從事科研有著自己的見(jiàn)解。當(dāng)被問(wèn)及目前血管神經(jīng)耦合領(lǐng)域比較有潛力的研究方向，他繼續(xù)和我們分享。

神經(jīng)血管耦合機(jī)制有著漫長(zhǎng)的130多年的研究歷史，在這期間，大家一直在問(wèn)同一個(gè)問(wèn)題——神經(jīng)元是如何調(diào)節(jié)神經(jīng)血管耦合的機(jī)制。“但更深層次之下，神經(jīng)元耦合除了調(diào)節(jié)能量的代謝之外，它是否具備調(diào)節(jié)一些其他生理行為的功能？這是一個(gè)非常有意思的研究方向。”“神經(jīng)元活化可以調(diào)節(jié)血流，那么反之，血流的改變是否可以調(diào)節(jié)神經(jīng)元的一些功能呢？這也是賈老師課題組關(guān)注的另一個(gè)有意思的方向。”

科研之路，道阻且長(zhǎng)，唯行則將至。期待張冬冬博士在自己專注的領(lǐng)域繼續(xù)發(fā)光發(fā)熱，為行業(yè)乃至社會(huì)帶來(lái)更大的價(jià)值。

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