難怪久坐容易癡呆Science首次發現大腦里有大量缺氧區

　　意識在腦血流停止的幾秒鐘內消失。大腦不能儲存氧氣，氧化磷酸化的中斷在幾分鐘內是致命的。然而，關于生理條件下皮質部分氧張力(Po2)動力學的知識還只是初步的。

　　2024年3月28日，哥本哈根大學Maiken Nedergaard及Felix R. M. Beinlich共同通訊在Science 在線發表題為”Oxygen imaging of hypoxic pockets in the mouse cerebral cortex“的研究論文，該研究介紹了綠色增強納米燈(GeNL)，一種用于Po2 成像的基因編碼生物發光氧指示劑。

　　在清醒行為的小鼠中，該研究發現了自發的、空間定義的“缺氧口袋”的存在，并證明了它們與局部毛細血管流動的消失有關。與休息相比，運動使缺氧口袋的負擔減輕了52%（跑步等體育活動可以減少缺氧區的發生）。該研究提供了對清醒行為動物皮質氧動力學的深入了解，同時建立了一種工具來描述氧張力在生理過程和神經系統疾病中的重要性。研究人員預測，不運動對組織Po2 有直接影響，有利于毛細血管閉塞和增加缺氧袋的數量。相反，僅僅增加感覺輸入或運動就能迅速抑制缺氧口袋的發生，這可能解釋了久坐生活方式與癡呆風險增加之間的聯系。

　　人腦在休息時消耗全身總耗氧量的20%。氧氣的輸送和需求是如此微妙的平衡，維持組織氧合可能是所有大腦功能中最關鍵的。然而，我們對生理條件下腦組織氧張力(Po2)動態的理解仍然有限，主要是因為缺乏空間精確的Po2成像測量技術。目前，組織Po2可以通過磷光和clark型電極來測量。這兩種方法都不能提供足夠高的時空靈敏度來檢測皮質Po2的生理變化。

GeNL的生物發光強度反映大腦的氧分壓（圖源自Science ）

　　研究人員開發了一種方法，通過在星形膠質細胞中表達的酶引導下的發光底物的氧依賴反應，來測量Po2的相對變化。該方法由于其生物發光起源和時空分辨率，具有優越的信噪比，可以可視化清醒行為小鼠皮質Po2的動態。綠色增強納米燈(Green enhanced Nano-lantern, GeNL)是一種由熒光素酶NanoLuc和熒光蛋白mNeongreen組成的發光融合蛋白。

　　在其發光底物furimazine轉化為furimamide的酶促過程中，能量以光的形式發射。熒光融合蛋白作為熒光放大器，通過F?rster共振能量轉移(FRET)提高量子產率。GeNL與呋喃嘧啶的酶促反應依賴于O2，當O2是酶促反應的限速因子時，生物發光信號的強度與O2的可用性呈線性相關。

　　本研究表明，通過基因編碼的生物發光氧指示物，可以在清醒行為小鼠的寬皮質區域連續監測Po2的相對變化。通過監測星形膠質細胞中表達的GeNL的生物發光信號，該研究發現皮層Po2在生理條件下不斷波動，產生空間和時間上限定的缺氧口袋。增加或阻斷毛細血管流動的操作表明，局部微循環中斷是缺氧口袋發生的原因。對局部血紅蛋白濃度的監測發現了短暫的局部血紅蛋白降低，這與缺氧口袋具有共同的特征和抵消動力學，從而為驗證生理條件下空間受限的Po2波動的發生提供了另一種方法。

覺醒水平的提高抑制了組織缺氧（圖源自Science ）

　　毛細血管血流是為大腦提供氧氣和葡萄糖的必要條件，以支持與正常腦功能相關的高代謝需求。大量研究表明，腦血流量減少與認知能力下降之間存在聯系，包括微血管結構和血流的變化。最近，在單毛細血管水平上，中性粒細胞粘附引起的短暫性血流中斷被確定為導致腦血流變化導致神經功能缺陷的潛在機制。在阿爾茨海默病模型中觀察到毛細血管遲滯增加，提出了關于毛細血管遲滯的長期影響及其在長期神經元活力中的潛在作用的問題。

　　缺氧誘導的缺氧誘導因子1a (HIF1a)表達的增加通過破壞突觸生理和空間記憶而損害可塑性。研究人員預測，不運動對組織Po2有直接影響，有利于毛細血管閉塞和增加缺氧袋的數量。相反，僅僅增加感覺輸入或運動就能迅速抑制缺氧口袋的發生，這可能解釋了久坐生活方式與癡呆風險增加之間的聯系。