藥明康德內(nèi)容團(tuán)隊(duì)編輯

我們的生存離不開氧氣，而大腦更是身體最需要氧氣的器官之一。大腦時(shí)刻需要氧氣參與的氧化磷酸化反應(yīng)來生產(chǎn)“能量貨幣”ATP，維持神經(jīng)元的活性。

由于大腦無法儲(chǔ)存氧氣，因此血液必須源源不斷地向腦組織供應(yīng)氧氣。一旦大腦內(nèi)的血液流動(dòng)中斷，短短幾秒就會(huì)導(dǎo)致意識(shí)喪失；當(dāng)缺氧時(shí)間過長，例如在一些卒中、心臟病案例中，患者可能會(huì)面臨不可逆的神經(jīng)損傷甚至是腦死亡。

我們知道氧氣對(duì)于大腦很重要，但就連科學(xué)家們也沒有弄清楚的是，氧氣在整個(gè)大腦里是如何動(dòng)態(tài)變化的？或者用專業(yè)術(shù)語來說，反映大腦中局部氧氣水平的指標(biāo)——腦組織氧分壓（pO2）的時(shí)空特征是怎樣的？

之所以有這樣的問題，一個(gè)重要原因是技術(shù)上的不足：科學(xué)界缺乏對(duì)氧分壓進(jìn)行高精度成像的工具，因此也就看不清氧氣在大腦內(nèi)的動(dòng)態(tài)細(xì)節(jié)。

現(xiàn)在，一項(xiàng)發(fā)表于《科學(xué)》雜志的新研究解決了這一難題。來自轉(zhuǎn)化神經(jīng)醫(yī)學(xué)中心（由丹麥哥本哈根大學(xué)和美國羅切斯特大學(xué)合辦）的研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一款可視化工具，讓我們看清了氧分壓在小鼠大腦中的動(dòng)態(tài)過程。

借助這款全新工具，作者首次發(fā)現(xiàn)大腦中存在短暫的缺氧區(qū)域。由于運(yùn)動(dòng)可以迅速減小缺氧區(qū)的面積，因此作者推測，這可能解釋了不同生活方式對(duì)癡呆風(fēng)險(xiǎn)的影響。

和科學(xué)史上的很多重要發(fā)現(xiàn)一樣，這項(xiàng)研究在一開始也有無心插柳之意。研究團(tuán)隊(duì)最初的目的并不是尋找氧分壓的監(jiān)測工具，而是想要借助熒光蛋白來研究大腦中的鈣離子濃度。

自從日本科學(xué)家下村修從水母中首次鑒定出綠色熒光蛋白以來，這種會(huì)發(fā)光的蛋白照亮了活體生命的身體內(nèi)部，也點(diǎn)亮了探索生命過程的道路。

近年來，熒光蛋白工具也經(jīng)歷了一系列改造升級(jí)，最新研究使用的就是一種由熒光酶素和熒光蛋白組成的熒光融合蛋白（名為Green enhanced Nano-lantern，簡稱GeNL）。在熒光素酶的催化作用下，發(fā)光底物furimazine發(fā)生氧化反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)生的能量就以光的形式釋放。

為了測定鈣活動(dòng)，研究團(tuán)隊(duì)在小鼠的星形膠質(zhì)細(xì)胞中表達(dá)GeNL，并通過開顱手術(shù)將底物注射至腦內(nèi)。不幸的是，他們在實(shí)驗(yàn)中遇到了一些挫折：他們拿到的熒光蛋白產(chǎn)品在生產(chǎn)環(huán)節(jié)出了問題。在等待制造商提供新蛋白的同時(shí)，論文第一作者Felix Beinlich博士決定用這批“次品”繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，用于優(yōu)化監(jiān)測系統(tǒng)。

在實(shí)驗(yàn)中，Beinlich博士注意到發(fā)光的強(qiáng)度出現(xiàn)了波動(dòng)。這種波動(dòng)反映出什么樣的生理變化？熒光酶素催化底物的反應(yīng)需要氧氣參與，在一定條件下，氧氣濃度可以成為這個(gè)酶促反應(yīng)的限速因素。因此

作者猜測，熒光強(qiáng)度的變化可能反映了局部的氧氣水平，也就是氧分壓。

接下來的小鼠實(shí)驗(yàn)也證實(shí)了這一猜測：在改變小鼠所處環(huán)境的氧氣濃度后，作者發(fā)現(xiàn)生物發(fā)光強(qiáng)度的變化與測得的氧分壓變化線性相關(guān)。因此，GeNL的生物發(fā)光強(qiáng)度可以成為準(zhǔn)確測定氧分壓的指標(biāo)！

作者將其稱作基因編碼生物熒光氧指示劑。如下方視頻所示，利用這款具有優(yōu)秀信噪比的工具，我們第一次可以從熒光強(qiáng)度中，直接看清氧分壓的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化。

這一看，研究團(tuán)隊(duì)真的看見了一個(gè)前所未見的現(xiàn)象：大腦中一些面積很小的特定區(qū)域會(huì)變暗，持續(xù)的時(shí)間從幾秒到幾分鐘不等。熒光強(qiáng)度指示的是局部的氧分壓，因此暗區(qū)意味著這些區(qū)域的氧氣供應(yīng)被暫時(shí)切斷了。研究團(tuán)隊(duì)將其稱作“缺氧區(qū)”（hypoxic pockets）。

在小鼠研究中，同一位置平均每7分鐘就會(huì)出現(xiàn)一次缺氧區(qū)。

▲小鼠呼吸的氧氣濃度影響了生物發(fā)光強(qiáng)度，圖中標(biāo)注了缺氧區(qū)（圖片來源：Dan Xue, Felix Beinlich）

我們知道長時(shí)間的缺氧會(huì)造成大腦損傷，但這些小范圍的短暫缺氧區(qū)域卻是首次被觀測到，它們是如何形成的，又會(huì)造成怎樣的后果？

進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，缺氧區(qū)是由大腦中毛細(xì)血管的微循環(huán)受阻造成的。就和全身其他區(qū)域一樣，大腦中的循環(huán)系統(tǒng)也是通過“干流”動(dòng)脈網(wǎng)絡(luò)和滲透腦組織的“支流”毛細(xì)血管，共同為腦組織供氧。在細(xì)小的毛細(xì)血管中，當(dāng)白細(xì)胞短暫地“堵住”管道就會(huì)阻止運(yùn)輸氧氣的紅細(xì)胞通過，這時(shí)局部腦組織就會(huì)進(jìn)入缺氧狀態(tài)。

毛細(xì)血管的堵塞會(huì)隨著年齡的增長而增加，并且在阿爾茨海默病模型中也觀察到這樣的現(xiàn)象。這些發(fā)現(xiàn)提示，這些缺氧區(qū)可能與阿爾茨海默病等癡呆的風(fēng)險(xiǎn)升高相關(guān)。

雖然無法完全避免形成這樣的缺氧區(qū)，但通過改變生活狀態(tài)，卻可以盡可能降低缺氧區(qū)的影響。研究發(fā)現(xiàn)，

相比于靜息狀態(tài)，運(yùn)動(dòng)期間小鼠大腦中的缺氧區(qū)面積減少了52%。

▲靜息與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)小鼠缺氧區(qū)的對(duì)比示意圖（圖片來源：Dan Xue, Felix Beinlich）

研究論文也寫道：“這項(xiàng)研究推測，身體活動(dòng)不足會(huì)促進(jìn)毛細(xì)血管堵塞并增加缺氧區(qū)的數(shù)量；相反，僅僅增加感覺輸入或是運(yùn)動(dòng)就能迅速抑制缺氧的發(fā)生，這或許可以解釋久坐的生活方式與癡呆風(fēng)險(xiǎn)增加之間的聯(lián)系?！?/p>

領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)研究的Maiken Nedergaard教授也指出，借助這款新工具，“現(xiàn)在可以研究阿爾茨海默病、血管性癡呆等一系列與大腦缺氧相關(guān)的疾病，以及久坐的生活方式、衰老、高血壓和其他因素如何導(dǎo)致這些疾病?！?/p>