新技术揭示了大脑如何大量消耗氧气

人类的大脑会消耗大量的能源和需要不间断的氧气供应来维持其活动。因此,大脑是配备了一个微妙的血管网络,运输氧气分子脑细胞。脑代谢耗氧速率(CMRO2),这表明大脑消耗多少能量在一个给定的时间,是一个关键的大脑活动指数。直接量化CMRO2神经学的一个重要目标,CMRO吗2是一个有价值的衡量组织病理学在稳态条件下,例如那些与癌症有关,创伤性脑损伤,和中风。此外,它的动态测量在神经元活动可以揭示代谢过程的底层大脑的功能反应。尽管一些当前启用CMRO的量化方法2,通常他们不提供信息的相对时间代谢和血管事件响应。

以获得清晰的CMRO2大脑活动期间,来自宾夕法尼亚大学的研究人员开发出一种新颖的光学技术。报道在《学报》杂志上Neurophotonics,该技术使用一对大分子磷光探针与演示应用程序的实时监控CMRO2并发与脑血流量(CBF)在临床前动物模型。“最新方法基于测量的动态跟踪CMRO2血红蛋白氧饱和度和CBF这样CMRO2动力学本质上成为与CBF的动力。我们想开发一种方法没有这个限制,”谢尔盖·a·Vinogradov教授解释说,这项研究的主要研究者。

这项技术直接梯度探测大脑的氧气。梯度之间的区别取决于氧浓度在大脑的血管(血管内)和附近的大脑细胞(血管外的)。当脑细胞新陈代谢变得更加活跃,它们消耗更多的氧气,使这个梯度陡。因此,这种梯度有多少氧气被消耗的信息,可以用来确定CMRO2。

关键的一步是找到一个方法来同时测量血管内和血管外的氧气水平之间的差异。为此,研究者们注入一个磷光探针,叫做Oxyphor PtR4,进入血液,而另一个探测器,Oxyphor PtG4,是直接注射到血管之间的空间。两个Oxyphors有不同的颜色,并通过使用两个不同的激光团队可以测量探针的信号与时间分辨率的同时~ 7赫兹。该技术应用于临床前模型,他们展示了实时计算和跟踪CMRO2大脑的功能活动期间。使用第三个激光器,研究人员还成功地测量并行CBF CMRO2使用激光散斑对比度成像所调用的方法。

副主编安迪•施教授在西雅图儿童研究机构的主要研究者的发育生物学和再生医学中心,说,“这聪明的开发和使用的探针对内部和血管外的车厢开门测量大脑的耗氧量。”

Arjun Yodh教授、该研究的通讯作者,解释道,“我们的计划提供了一个机会直接实时观察脑代谢的变化,同时比较血管反应代谢反应。随着科技的发展,我们预计,该方法将成为更广泛的用于检测药物和脑代谢的其他效应物,它应该允许代谢模型的更严格的审查。”

事实上,这项研究第一次证明的能力监控实时局部组织血流量和氧梯度在大脑功能活跃。它开辟了新的可能性,脑代谢的动态测量透露更多细节关于生理过程伴随神经元活动。

参考:哈提卜Chong SH, Ong Y,我,et al .实时跟踪的大脑氧梯度和血流功能激活期间。一组。2022;9 (4):045006。doi:10.1117/1. nph.9.4.045006

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