激光散斑血流成像系統(tǒng)在揭示神經(jīng)元和腦血管的直接對(duì)話機(jī)制中的應(yīng)用

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。

有130年歷史的代謝假說(shuō)解釋了NVC，但這一假說(shuō)越來(lái)越有爭(zhēng)議，最近發(fā)現(xiàn)細(xì)胞類型特異性和神經(jīng)遞質(zhì)介導(dǎo)的機(jī)制是調(diào)節(jié)CBF的主要機(jī)制。然而，這種神經(jīng)信使傳遞特異性的分子和細(xì)胞機(jī)制在很大程度上仍然未知，活躍的神經(jīng)信息如何傳遞到腦內(nèi)的目標(biāo)微動(dòng)脈仍不清楚。

2024年1月2日，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。
 

結(jié)果表明，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，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(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”。
 

圖1. 軸突穿過(guò)星形膠質(zhì)細(xì)胞終足的漏洞與aSMCs接觸

為了證實(shí)NsMJs是否真正承擔(dān)了信息傳遞功能，研究團(tuán)隊(duì)首先檢測(cè)了aSMCs是否具有接收神經(jīng)遞質(zhì)信號(hào)的接收器。結(jié)果顯示，腦內(nèi)aSMCs能表達(dá)多種神經(jīng)遞質(zhì)受體，其中就包括通透鈣離子的谷氨酸神經(jīng)遞質(zhì)的受體NMDAR。隨后作者通過(guò)激活NsMJs的突觸前膜來(lái)確認(rèn)神經(jīng)元分泌的神經(jīng)遞質(zhì)是否可以與aSMCs上的神經(jīng)遞質(zhì)受體結(jié)合，從而調(diào)節(jié)血管的舒張或者收縮。研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)創(chuàng)了顱內(nèi)單根軸突和樹(shù)突光遺傳學(xué)激活技術(shù)，并且同時(shí)跟蹤靶向動(dòng)脈的直徑變化。特異性激活類突觸前的單個(gè)谷氨酸能神經(jīng)元軸突，可以誘發(fā)動(dòng)脈血管舒張，直徑增大近15%。進(jìn)一步，通過(guò)經(jīng)典胡須刺激實(shí)驗(yàn)，研究團(tuán)隊(duì)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(chǎn)的激光散斑血流成像系統(tǒng)）。這些結(jié)果證明NsMJs可調(diào)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(lái)監(jiān)測(cè)血流變化）

上述結(jié)果證實(shí)了神經(jīng)元直接調(diào)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(diào)節(jié)作用的呢？研究團(tuán)隊(duì)基于小鼠大腦中動(dòng)脈閉塞(middle cerebral arterial occlusion, MCAO)模型做了進(jìn)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(huì)大量去極化，導(dǎo)致血管急性收縮，造成二次缺血；而通過(guò)特異性敲除aSMCs上NMDAR受體的GluN1亞基，可以緩解動(dòng)脈毒性以及后續(xù)的腦萎縮程度，增強(qiáng)小鼠的運(yùn)動(dòng)功能恢復(fù)并降低死亡率。
 

圖3. 敲除aSMCs GluN1可促進(jìn)缺血性腦卒中后功能恢復(fù)

綜上，該研究證實(shí)了大腦中神經(jīng)元與腦血管之間存在一種“類突觸(NsMJs)”結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能夠在生理和病理?xiàng)l件下調(diào)節(jié)大腦血管的舒張和收縮，為神經(jīng)元和腦血管的直接對(duì)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(jī)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(diǎn)

這項(xiàng)工作揭示了神經(jīng)元調(diào)控大腦血流新路徑。研究用到了動(dòng)物手術(shù)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(xué)、動(dòng)物微循環(huán)血流成像分析、免疫組化以及動(dòng)物行為學(xué)等實(shí)驗(yàn)技術(shù)。

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

截止目前，瑞沃德產(chǎn)品及服務(wù)覆蓋海內(nèi)外 100 多個(gè)國(guó)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(rèn)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