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研究揭示:钙离子精确地“指挥”着大脑中的血液流动,使之获取能量

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前瞻网 2021-07-22 21:12

不像身体的其他部分那样,大脑通常没有足够的空间来储存能量。相反,大脑一般依靠其内部数百英里长的血管传输血液,来提供新鲜的能量。

然而,对于大脑如何在活动增加的过程中表达对更多能量的需求,然后将其血液供应导向特定的“热点”,人们仍知之甚少。

近日,马里兰大学医学院(University of Maryland School of Medicine)和佛蒙特大学(University of Vermont)的研究人员展示了大脑在需要能量时是如何与血管沟通的,以及这些血管是如何通过放松或收缩做出反应,将血液直接输送到大脑的特定区域的。

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在他们7月21日发表在《科学进展》(Science Advances)杂志上的新论文中,研究人员表示,了解大脑如何在错综复杂的细节上指导自身能量,可以帮助确定阿尔茨海默病(Alzheimer’s disease)和痴呆症(dementia)等疾病中哪里出了问题。在这些疾病中,有缺陷的血流传输,预示着认知障碍。

如果大脑不能在需要的时候将血液输送到需要的地方,神经元就会受到压力,随着时间的推移,它们会恶化,最终导致认知能力下降和记忆问题。

在大脑中,大动脉为被称为小动脉的中等大小的血管供血,而小动脉则为更小的毛细血管供血——小到一次只能通过一个血细胞。

2017年的一篇论文中,研究人员发现,流经毛细血管的电脉冲直接来自中等大小的小动脉,为大脑的大片区域供应血液。

而在这篇最新的论文中,该团队想要研究血液流经毛细血管时的微调,以及这如何精确地调节大脑中微小区域的能量供应。

马里兰大学医学院生理学助理教授Thomas Longden博士指出,他们发现似乎有两种机制协同工作,以确保血液中的能量到达大脑的特定区域:一种是广泛的,另一种是精确的。“第一个电机制就像一个粗糙的大锤,通过控制中等大小的小动脉,让更多的血液进入大脑活动增加的区域附近,然后毛细血管中的钙信号会进行精确的微调,确保血液在正确的时间通过毛细血管到达正确的位置。”

他与合作者使用了一种蛋白质,当细胞内钙离子增加时,这种蛋白质会发出绿光。在康奈尔大学Michael Kotlikoff团队的努力下,他们能够在小鼠血管内膜细胞中启动这个工具。

然后,研究人员通过这些老鼠大脑中的“小窗口”,研究钙在控制大脑毛细血管中的血液流动中的作用。结果发现,当排列在血管内壁的细胞接收到大量钙离子时,它们就会发出绿色的光。

他们在透过“小窗口”可以看到的大脑微小部分的毛细血管中,检测到了每秒5000个钙信号——这相当于在整个大脑血管系统中每秒大约100万个这种反应。

“在我们使用这项新技术之前,大脑中完全看不见的钙信号世界被隐藏起来了,而现在我们可以看到大脑血管中的大量活动——它们在不断放电。”Thomas Longden博士表示。

随后,Thomas Longden博士和他的研究团队剖析了钙在引导血液分支通过大脑微小血管方面所起作用的复杂细胞机制。他们发现,当神经元发出电信号时,会导致血管细胞中的钙含量增加。然后酶检测这些钙并引导细胞产生一氧化氮。一氧化氮是一种荷尔蒙(也是一种气体),它会导致血管周围的类肌肉细胞放松,然后扩张血管,让更多的血液流入。

“现在,研究人员已经掌握了这一过程的工作原理,他们可以开始研究阿尔茨海默氏症和痴呆症患者的血液流动是如何中断的,以便找到修复它的方法。”

译/前瞻经济学人APP资讯组

参考来源:https://medicalxpress.com/news/2021-07-calcium-precisely-blood-brain.html

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