激光散斑血流成像系統(tǒng)在揭示神經元和腦血管的直接對話機制中的應用

血液供應為大腦中的神經計算提供能量，計算活動的波動會在數(shù)秒內引起局部腦血流(cerebral blood flow, CBF) 的相應變化，這一現(xiàn)象稱為神經血管耦合(Neurovascular coupling, NVC)。NVC功能受損，可導致腦微循環(huán)缺血缺氧，影響局部神經信號傳導，引起并加重腦小血管疾病，甚至造成認知功能障礙、癡呆等。

有130年歷史的代謝假說解釋了NVC，但這一假說越來越有爭議，最近發(fā)現(xiàn)細胞類型特異性和神經遞質介導的機制是調節(jié)CBF的主要機制。然而，這種神經信使傳遞特異性的分子和細胞機制在很大程度上仍然未知，活躍的神經信息如何傳遞到腦內的目標微動脈仍不清楚。

2024年1月2日，西湖大學賈潔敏團隊在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，該研究證實單個谷氨酸能神經元軸突通過神經-小動脈平滑肌細胞(arteriolar smooth muscle cells, aSMCs)連接之間的突觸樣傳遞來擴張其支配的小動脈。這一發(fā)現(xiàn)揭示了神經元與腦血管直接對話的一座“新橋梁”，也為理解腦血流的快速和精準調控提供了一個全新的認知。
 

結果表明，星形膠質細胞終足對穿支動脈的包裹率并不是100%，反而存在“漏洞”。血管周圍神經元軸突的子突觸前會穿過這些漏洞，插入aSMCs外圍的基底膜，與aSMCs形成“類突觸”(neural–arteriolar smooth muscle cell junctions, NsMJs)。這一結構為神經元與血管之間的對話提供了一座前所未見的“新橋梁”。
 

圖1. 軸突穿過星形膠質細胞終足的漏洞與aSMCs接觸

為了證實NsMJs是否真正承擔了信息傳遞功能，研究團隊首先檢測了aSMCs是否具有接收神經遞質信號的接收器。結果顯示，腦內aSMCs能表達多種神經遞質受體，其中就包括通透鈣離子的谷氨酸神經遞質的受體NMDAR。隨后作者通過激活NsMJs的突觸前膜來確認神經元分泌的神經遞質是否可以與aSMCs上的神經遞質受體結合，從而調節(jié)血管的舒張或者收縮。研究團隊開創(chuàng)了顱內單根軸突和樹突光遺傳學激活技術，并且同時跟蹤靶向動脈的直徑變化。特異性激活類突觸前的單個谷氨酸能神經元軸突，可以誘發(fā)動脈血管舒張，直徑增大近15%。進一步，通過經典胡須刺激實驗，研究團隊觀察到破壞Glu-NsMJ的信息傳遞能夠顯著抑制NVC（研究人員使用了瑞沃德生產的激光散斑血流成像系統(tǒng)）。這些結果證明NsMJs可調節(jié)大腦血管收縮舒張。
 

圖2. 破壞Glu-NsMJ的信息傳遞能顯著抑制NVC
（作者用到了瑞沃德激光散斑血流成像系統(tǒng)來監(jiān)測血流變化）

上述結果證實了神經元直接調節(jié)大腦血流的全新路徑，那么這一路徑在腦血管性疾病中是如何發(fā)揮調節(jié)作用的呢？研究團隊基于小鼠大腦中動脈閉塞(middle cerebral arterial occlusion, MCAO)模型做了進一步的探討。在MCAO造模后的急性缺血期，在高濃度谷氨酸刺激下，aSMCs會大量去極化，導致血管急性收縮，造成二次缺血；而通過特異性敲除aSMCs上NMDAR受體的GluN1亞基，可以緩解動脈毒性以及后續(xù)的腦萎縮程度，增強小鼠的運動功能恢復并降低死亡率。
 

圖3. 敲除aSMCs GluN1可促進缺血性腦卒中后功能恢復

綜上，該研究證實了大腦中神經元與腦血管之間存在一種“類突觸(NsMJs)”結構，該結構能夠在生理和病理條件下調節(jié)大腦血管的舒張和收縮，為神經元和腦血管的直接對話架起了一座“新橋梁”。這些發(fā)現(xiàn)為深入理解大腦的血供機制提供了新的視角，并為腦卒中的治療提供了新的思路。

研究方法亮點

這項工作揭示了神經元調控大腦血流新路徑。研究用到了動物手術造模、大體積三維掃描電鏡、光電聯(lián)合，鈣成像、電生理記錄、雙光子光遺傳學、動物微循環(huán)血流成像分析、免疫組化以及動物行為學等實驗技術。

瑞沃德深耕生命科學研究領域21年，一直致力于為客戶提供可信賴的解決方案和服務。在該研究中，研究人員使用了瑞沃德生產的激光散斑血流成像系統(tǒng)，為實驗的順利開展提供了支持。此外，瑞沃德還可提供該研究所涉及的動物手術造模、鈣成像、電生理記錄、免疫組化以及動物行為學等實驗技術的完整解決方案。

截止目前，瑞沃德產品及服務覆蓋海內外 100 多個國家和地區(qū)，客戶涵蓋全球2300+醫(yī)院，1000+科研院所，6000+高等院校，已助力全球科研人員發(fā)表SCI文章14500+，獲得行業(yè)廣泛認可。

瑞沃德RFLSI ZW激光散斑血流成像系統(tǒng)

文章原文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41593-023-01515-0