Local oxygen homeostasis during various neuronal network activity states in the mouse hippocampus

小鼠海馬中各種神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)活動狀態(tài)下的局部氧穩(wěn)態(tài)

來源：Journal of Cerebral Blood Flow & Metabolism, Volume 39, Issue 5, 2019, Pages 859-873

《腦血流與代謝雜志》第39卷第5期，2019年，第859-873頁

 

摘要

這篇論文摘要闡述了大腦信息處理涉及多種活動狀態(tài)，由定時突觸興奮和抑制產(chǎn)生，但其基礎(chǔ)能量代謝尚不清楚。研究測量了海馬CA3區(qū)組織深度小于0.3毫米范圍內(nèi)的腦氧代謝率（CMRO2），包括清醒和睡眠中發(fā)生的gamma振蕩和sharp wave-ripples，這些狀態(tài)與感覺感知和記憶形成相關(guān)，并 critically 依賴 perisomatic GABA抑制。此外，基于定量微血管分析建模血管氧輸送。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，局部CMRO2在gamma振蕩時最高（3.4 mM/min），在sharp wave-ripples、異步活動和異氟烷應(yīng)用時中等（2.0-1.6 mM/min），在TTX應(yīng)用時最低（1.4 mM/min）。軸突和突觸信號的能量消耗在gamma振蕩時占50%以上。CMRO2與激活突觸的數(shù)量和同步性以及神經(jīng)多單位活動正相關(guān)。毛細(xì)血管中位距離為44微米。gamma振蕩期間需要血管氧分壓33 mmHg以維持氧化磷酸化。結(jié)論是gamma振蕩具有高能量需求，需要血流響應(yīng)來匹配呼吸線粒體的氧消耗，且 perisomatic抑制顯著貢獻(xiàn)腦能量預(yù)算。

 

研究目的

本研究旨在探討小鼠海馬中不同神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)活動狀態(tài)下的腦氧代謝率（CMRO2）和血管氧供應(yīng)，以理解能量消耗與腦功能復(fù)雜性的關(guān)系。具體目標(biāo)是量化gamma振蕩、sharp wave-ripples等生理狀態(tài)下的氧耗，并評估血管氧輸送如何支持這些活動，從而揭示代謝需求與高階腦功能（如感知和記憶）之間的聯(lián)系。

 

研究思路

研究思路采用離體小鼠海馬腦片制備，通過電生理記錄局部場電位和氧濃度測量結(jié)合數(shù)學(xué)模型。首先，在腦片中誘導(dǎo)多種網(wǎng)絡(luò)活動狀態(tài)：gamma振蕩（使用carbachol）、sharp wave-ripples（自發(fā)）、異步活動、異氟烷麻醉樣狀態(tài)和TTX抑制狀態(tài)。使用玻璃電極記錄局部場電位，并使用丹麥Unisense氧微電極測量組織氧濃度深度剖面。通過免疫組化染色分析毛細(xì)血管距離，并建立反應(yīng)-擴(kuò)散模型計算CMRO2。數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析包括相關(guān)性和組間比較，以確定氧耗與活動特性的關(guān)系。

 

測量的數(shù)據(jù)及研究意義

1 CMRO2值：gamma振蕩時最高（3.4 mM/min），sharp wave-ripples時中等（2.0 mM/min），異步活動和異氟烷時較低（1.7-1.6 mM/min），TTX時最低（1.4 mM/min）（來自表1）。研究意義在于直接量化不同網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的代謝需求，顯示gamma振蕩是能量最密集的活動，為理解腦功能能量成本提供基準(zhǔn)。

 

2 能量消耗分配：gamma振蕩時，軸突和突觸信號的能量消耗占50%以上。研究意義在于突出突觸活動在能量預(yù)算中的主導(dǎo)作用，強(qiáng)調(diào)信號傳遞的代謝代價。

3 CMRO2與活動參數(shù)的相關(guān)性：CMRO2與gamma振蕩峰值功率正相關(guān)（r=0.393），與FWHM負(fù)相關(guān)（r=-0.404）；與sharp wave幅度正相關(guān)（r=0.517）；與多單位活動頻率正相關(guān)（r=0.852）（來自圖3和圖4）。研究意義在于證實代謝率與突觸同步性和神經(jīng)元放電率直接相關(guān)，支持活動水平?jīng)Q定氧耗的假設(shè)。

 

 

4 毛細(xì)血管距離：中位距離為44 μm（來自圖5a和5b）。研究意義在于定義氧擴(kuò)散的解剖限制，為建模氧供應(yīng)提供關(guān)鍵參數(shù)。

 

5 血管氧需求：建模顯示gamma振蕩需要毛細(xì)血管氧分壓33 mmHg以維持氧化磷酸化（來自圖5c-e）。研究意義在于確定維持高能量活動的最小氧供應(yīng)閾值，強(qiáng)調(diào)血流調(diào)節(jié)的重要性。

 

結(jié)論

1 gamma振蕩是能量需求最高的網(wǎng)絡(luò)活動狀態(tài)，CMRO2達(dá)3.4 mM/min，需要顯著氧供應(yīng)支持。

2 能量消耗主要來自軸突和突觸信號，占50%以上，突顯信號傳遞的代謝成本。

3 CMRO2與突觸數(shù)量、同步性和神經(jīng)元活動水平正相關(guān)，表明代謝率直接反映網(wǎng)絡(luò)活動強(qiáng)度。

4 毛細(xì)血管距離平均44 μm，氧擴(kuò)散限制要求血流增加以匹配gamma振蕩的需求。

5 總體表明，高能量活動如gamma振蕩需要神經(jīng)血管耦合確保氧輸送，perisomatic抑制是能量預(yù)算的重要貢獻(xiàn)者。

 

使用丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的研究意義

使用丹麥Unisense氧微電極（型號OX-10）測量的數(shù)據(jù)在本研究中具有關(guān)鍵的研究意義。該電極具有高空間分辨率（尖端直徑10 μm），允許精確測量腦片中的氧濃度深度剖面，最小化組織損傷。數(shù)據(jù)用于計算局部CMRO2，通過記錄氧濃度隨深度變化（步長20 μm），并結(jié)合數(shù)學(xué)模型擬合，提供實時、定量的氧耗動態(tài)。這使研究能直接關(guān)聯(lián)氧消耗與特定網(wǎng)絡(luò)活動狀態(tài)，如驗證gamma振蕩時氧耗最高。電極的校準(zhǔn)和穩(wěn)定性確保數(shù)據(jù)可靠性，支持結(jié)論中氧供需平衡的洞察。總之，Unisense電極的應(yīng)用實現(xiàn)了高精度氧監(jiān)測，為理解腦能量代謝提供了實驗基礎(chǔ)。