Relationship between oxygen consumption and neuronal activity in a defined neural circuit

在定義的神經(jīng)回路中耗氧量和神經(jīng)元活動(dòng)之間的關(guān)系

來源：?zugur et al. BMC Biology (2020) 18:76

 

1. 摘要核心內(nèi)容

 

論文摘要指出：神經(jīng)元活動(dòng)（如動(dòng)作電位、突觸傳遞）和細(xì)胞穩(wěn)態(tài)是能量密集型過程，主要依賴線粒體氧化磷酸化（需氧代謝）。研究使用非洲爪蟾蝌蚪離體制備，在類體內(nèi)條件下定量分析特定神經(jīng)回路（滑車神經(jīng)支配的上斜肌運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)）活動(dòng)與腦部氧消耗（O?）的關(guān)聯(lián)。核心發(fā)現(xiàn)：

 

在空氣飽和浴液中，第四腦室及鄰近腦組織O?濃度接近零，表明高效氧利用（圖1）；

 

麻醉劑MS-222阻斷神經(jīng)放電后，O?消耗降低~50%（圖3），證實(shí)神經(jīng)元活動(dòng)是主要耗氧源；

 

自發(fā)神經(jīng)簇放電（burst）引發(fā)瞬態(tài)O?消耗增加，幅度與浴液氧濃度正相關(guān)（圖4-5）。

 

 

 

2. 研究目的

 

解決技術(shù)挑戰(zhàn)：

 

1.體內(nèi)O?監(jiān)測難：活體腦部O?測量受限于侵入性、生理參數(shù)控制難；

2.定量關(guān)聯(lián)缺失：神經(jīng)元活動(dòng)模式（如簇放電）與O?消耗的定量關(guān)系缺乏實(shí)驗(yàn)證據(jù)；

3.模型優(yōu)化：為神經(jīng)計(jì)算能量模型（如動(dòng)作電位能耗理論）提供實(shí)證基礎(chǔ)。

 

3. 研究思路

 

采用離體蝌蚪頭制備（保留完整感覺-運(yùn)動(dòng)通路）：

 

1.O?監(jiān)測：丹麥Unisense微電極（100μm/10μm尖端）測量第四腦室及腦組織O?濃度（圖1a-b）；

2.神經(jīng)活動(dòng)記錄：細(xì)胞外電極記錄滑車神經(jīng)自發(fā)放電（運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元活動(dòng)代理）；

3.干預(yù)實(shí)驗(yàn)：

 

改變浴液氧濃度（空氣飽和→高氧，圖2）；

 

麻醉劑MS-222阻斷動(dòng)作電位（圖3）；

 

記錄自發(fā)神經(jīng)簇放電的O?瞬變（圖4-5）；

4.定量分析：ImageJ/Spike2軟件關(guān)聯(lián)放電頻率、簇積分與O?消耗動(dòng)態(tài)。

 

4. 測量數(shù)據(jù)及研究意義

（1）腦部O?梯度與代謝活性（來自圖1）

 

 

數(shù)據(jù)：

 

空氣飽和浴液（~290μmol/L）中，第四腦室O?≈0μmol/L（圖1b-c）；

 

氰化鉀（KCN）阻斷線粒體呼吸后，腦室O?升至浴液水平（圖1f-g）。

 

意義：證實(shí)腦組織高效耗氧，第四腦室O?可無創(chuàng)反映鄰近腦組織代謝狀態(tài)。

 

（2）氧飽和閾值（來自圖2）

 

 

數(shù)據(jù)：

 

浴液O?<700μmol/L時(shí)，腦室O?維持近零（斜率0.25）；

 

700μmol/L時(shí)，腦室O?與浴液呈線性正相關(guān)（斜率0.93）（圖2c）。

 

 

意義：揭示O?利用飽和點(diǎn)（~700μmol/L），超量O?不被代謝利用（圖2d-e）。

 

（3）神經(jīng)元活動(dòng)的耗氧比例（來自圖3）

 

 

數(shù)據(jù)：

 

0.5% MS-222阻斷神經(jīng)放電后，腦室O?升至~150μmol/L（圖3b）；

 

計(jì)算O?消耗降低50%（對照消耗~600μmol/L）。

 

意義：量化動(dòng)作電位維持占腦總耗氧50%，另一半源于膠質(zhì)細(xì)胞/基礎(chǔ)代謝（圖3g）。

 

（4）簇放電的O?瞬變（來自圖4-5）

 

 

數(shù)據(jù)：

 

自發(fā)神經(jīng)簇放電（10-60s）伴隨O?消耗瞬增（延遲~14s）；

 

高氧浴液下瞬變幅度更大（圖5d-e），但簇積分與O?水平無關(guān)（圖5d2）。

 

意義：首次量化神經(jīng)簇放電的代謝成本，瞬變幅度依賴可用O?而非放電強(qiáng)度。

 

5. 結(jié)論

 

1.代謝效率：腦組織在空氣飽和浴液中O?≈0，體現(xiàn)高效氧利用（飽和閾值700μmol/L）；

2.能耗分配：神經(jīng)元基礎(chǔ)放電占O?消耗50%，其余為膠質(zhì)細(xì)胞/非信號活動(dòng)；

3.動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)：神經(jīng)簇放電觸發(fā)可量化O?瞬變（延遲14s），為神經(jīng)計(jì)算能量模型提供參數(shù)；

4.模型價(jià)值：離體兩棲制備是研究代謝-神經(jīng)活動(dòng)耦合的理想平臺。

 

6. 丹麥Unisense電極的研究意義

（1）技術(shù)優(yōu)勢

 

 

精準(zhǔn)定位：10μm/100μm尖端實(shí)現(xiàn)腦室/腦組織微區(qū)O?監(jiān)測（圖1a），避免組織損傷；

 

高分辨率：秒級響應(yīng)捕獲MS-222阻斷（圖3a）和簇放電O?瞬變（圖4a2）；

 

定量校準(zhǔn)：嚴(yán)格三點(diǎn)校準(zhǔn)（0/空氣/高氧）保障μmol/L級精度（方法部分）。

 

（2）科學(xué)價(jià)值

 

 

梯度繪圖：深度剖面掃描（圖1b-d）揭示腦組織表面O?擴(kuò)散邊界層；

 

動(dòng)態(tài)驗(yàn)證：同步神經(jīng)記錄（圖3e）建立放電頻率-O?消耗線性回歸（R2=0.4-0.7）；

 

瞬變機(jī)制：捕獲簇放電后~14s延遲的O?瞬變（圖5c），提示代謝響應(yīng)動(dòng)力學(xué)。

 

（3）領(lǐng)域突破

 

相比傳統(tǒng)方法（如NADH熒光），Unisense電極：

 

 

實(shí)現(xiàn)無創(chuàng)、實(shí)時(shí)、空間分辨的O?監(jiān)測；

 

為神經(jīng)能量學(xué)提供首個(gè)類體內(nèi)定量數(shù)據(jù)集；

 

奠定離體模型研究感覺-運(yùn)動(dòng)行為的代謝成本基礎(chǔ)（如未來視-前庭刺激實(shí)驗(yàn)）。