人類大腦，是個(gè)復(fù)雜又脆弱的器官。

它僅占體重的2-3%，卻有著相當(dāng)大的氧氣需求量，約占全身耗氧量的20-30%。但大腦無(wú)法儲(chǔ)存氧氣，是個(gè)非常害怕缺氧的器官，因此需要血液源源不斷地向腦組織進(jìn)行輸送。

之所以說(shuō)大腦“脆弱”，是因?yàn)楫?dāng)腦血流停止后，缺氧會(huì)導(dǎo)致氧化磷酸化反應(yīng)的中斷，使得神經(jīng)元喪失活性，最終引發(fā)不可逆的神經(jīng)損傷甚至腦死亡。而作為人體的“最高指揮官”，腦死亡就等于宣判一個(gè)人的死亡。

大腦的“復(fù)雜”程度非常高，甚至科學(xué)家對(duì)大腦的探索都十分有限。在生理?xiàng)l件下，氧氣究竟是如何在大腦內(nèi)動(dòng)態(tài)變化的呢？

近日，來(lái)自哥本哈根大學(xué)轉(zhuǎn)化神經(jīng)醫(yī)學(xué)中心的研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一款可視化工具，能夠捕捉到生理?xiàng)l件下大腦皮層部分氧張力（Po2）的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，即研究者利用全新成像技術(shù)清晰地記錄了小鼠清醒狀態(tài)下大腦的供氧情況。該研究發(fā)表在Science上。

原來(lái)，缺氧狀態(tài)才是大腦的“常態(tài)”！在清醒狀態(tài)下，小鼠腦中竟會(huì)自發(fā)產(chǎn)生短暫且局限的缺氧區(qū)域（又稱“缺氧口袋”），不僅每次的持續(xù)時(shí)間從幾秒到幾分鐘不等，還有著較高的出現(xiàn)頻率。但不用擔(dān)心的是，跑步等體育活動(dòng)能使這種負(fù)擔(dān)減輕52%，這也解釋了為什么生活方式能影響神經(jīng)系統(tǒng)疾病。

DOI: 10.1126/science.adn1011

要知道，對(duì)大腦做氧成像，難度系數(shù)很高。長(zhǎng)時(shí)間以來(lái)技術(shù)上存在gap，無(wú)法對(duì)Po2進(jìn)行高精度成像。

而本次Science上刊登的研究方法，可謂是極具“開(kāi)創(chuàng)性”——為得到精準(zhǔn)的大腦內(nèi)氧氣變化情況，研究者利用星形膠質(zhì)細(xì)胞中表達(dá)酶與發(fā)光底物進(jìn)行反應(yīng)，融合而成“會(huì)發(fā)光”的綠色增強(qiáng)納米燈籠（GeNL），從而觀測(cè)Po2的相對(duì)變化。

這種方法具有優(yōu)異的信噪比和高時(shí)空分辨率，可以清楚地觀察到清醒狀態(tài)下小鼠腦皮層的Po2動(dòng)態(tài)變化。

GeNL的生物發(fā)光強(qiáng)度報(bào)告了腦氧分壓

研究者觀察連續(xù)的生物發(fā)光成像后發(fā)現(xiàn)，靜息狀態(tài)下，Po2具有高度動(dòng)態(tài)性，經(jīng)常出現(xiàn)局部、瞬時(shí)驟升和驟降的氧張力，持續(xù)時(shí)間從幾秒到幾分鐘不等。

從圖像上來(lái)看，Po2的負(fù)相對(duì)振幅和特征性的清晰邊界形似“口袋”，因此被研究者親切地稱為“缺氧口袋”。事實(shí)上，“缺氧口袋”中的Po2僅為11mmHg，遠(yuǎn)低于大腦皮層的缺氧閾值（≤18mmHg）。

令人訝異的是，這些“缺氧口袋”出現(xiàn)的頻率還真不低。短短的20分鐘內(nèi)，受麻醉的小鼠腦內(nèi)共檢測(cè)到200±22個(gè)“缺氧口袋”。

在以1Hz頻率記錄的單幀圖像中，每平方毫米可以觀察到8.12±0.04個(gè)“缺氧口袋”，覆蓋面積達(dá)到了觀察視野的2.43%，持續(xù)時(shí)間為48.2±1.0秒。這些“缺氧口袋”幾乎呈圓形，平均直徑為45.29μm。

此外，“缺氧口袋”還有一大特點(diǎn)：常重復(fù)出現(xiàn)在同一區(qū)域。在劃定的區(qū)域內(nèi)，每分鐘會(huì)出現(xiàn)0.15個(gè)“缺氧口袋”，這意味著大約每隔7分鐘，同一位置就會(huì)出現(xiàn)一次“缺氧口袋”。

“缺氧口袋”的特征

相信讀者一定有這樣的困惑：“缺氧口袋”究竟是如何形成的呢？

研究者觀察到，“缺氧口袋”距小靜脈的平均距離為28.1±0.7μm，而距小動(dòng)脈48.0±1.2μm，即“缺氧口袋”更常出現(xiàn)在小靜脈附近。同時(shí)，“缺氧口袋”與局部血紅蛋白濃度變化有著很強(qiáng)的相關(guān)性。

因此，研究者推測(cè)，大腦中毛細(xì)血管的微循環(huán)受阻是導(dǎo)致“缺氧口袋”出現(xiàn)的“罪魁禍?zhǔn)住薄?dāng)白細(xì)胞短暫地“堵住”細(xì)小的毛細(xì)血管時(shí)，紅細(xì)胞無(wú)法順利通過(guò)，導(dǎo)致氧氣無(wú)法運(yùn)輸?shù)侥X組織，進(jìn)而使得局部腦組織進(jìn)入了缺氧狀態(tài)。

事實(shí)上，為維持大腦的正常功能，毛細(xì)血管血流發(fā)揮著不可或缺的作用。大量研究顯示，腦血流量的減少（包括微血管結(jié)構(gòu)和血流的變化）與認(rèn)知功能下降之間存在著緊密的聯(lián)系——隨著年齡的增長(zhǎng)，腦內(nèi)毛細(xì)血管堵塞的概率也大大增加，進(jìn)而升高了阿爾茨海默癥等疾病的患病風(fēng)險(xiǎn)。

毛細(xì)血管受阻與“缺氧口袋”之間的關(guān)系

既然大腦內(nèi)“缺氧口袋”不可避免，難道我們只能坐以待“呆”了嘛？

并非如此！研究者還真找到了一個(gè)簡(jiǎn)單又有效的方法——沒(méi)錯(cuò)，就是運(yùn)動(dòng)！具體來(lái)說(shuō)，與習(xí)慣“久坐”的相比，積極參與跑步的清醒小鼠的“缺氧口袋”數(shù)量減少了33%，持續(xù)時(shí)間減少了7秒，空間覆蓋率減少了26%。

也就是說(shuō)，僅是跑步這樣簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)方式，就使得小鼠的缺氧負(fù)擔(dān)減輕了52%，效果是相當(dāng)好的。

研究者表示，在主動(dòng)跑步的情況下，功能性充血能夠迅速抑制“缺氧口袋”的發(fā)生。這也解釋了為什么久坐的生活方式會(huì)導(dǎo)致癡呆發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)的增加。

不同狀態(tài)下的“缺氧口袋”

Maiken Nedergaard教授表示，借助這個(gè)新開(kāi)發(fā)的工具，“能夠研究阿爾茨海默病、血管性癡呆等一系列與大腦缺氧相關(guān)的疾病。此外，還可以探究久坐/運(yùn)動(dòng)等生活方式、衰老、高血壓以及其他因素是如何導(dǎo)致這些疾病的?！?/p>

綜上所述，即使是在日常清醒狀態(tài)下，大腦也存在自發(fā)和間歇的缺氧區(qū)域，且有著較高的發(fā)生頻率。不過(guò)，運(yùn)動(dòng)可以大大改善這種缺氧負(fù)擔(dān)，使其減少52%！

難怪有時(shí)候運(yùn)動(dòng)之后，覺(jué)得自己的腦子更靈了。寫(xiě)完這篇文章，小編現(xiàn)在、立刻、馬上就要站起來(lái)活動(dòng)活動(dòng)了，讓大腦“吸吸氧”。

參考資料：DOI:10.1126/science.adn1011

撰文 | Swagpp

編輯 | Swagpp

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