一項(xiàng)新研究介紹了一種名為“電-鈣偶聯(lián)” 的過(guò)程，該過(guò)程整合了腦毛細(xì)血管中的電信號(hào)和鈣信號(hào)，以確保向活躍神經(jīng)元精確輸送血液。為治療卒中和失智癥提供了新見(jiàn)解。

《EurekAlert》

12月9日

由佛蒙特大學(xué)（University of Vermont，UVM）拉納醫(yī)學(xué)院（Larner College of Medicine）的 Mark Nelson 博士帶領(lǐng)的 UVM 科學(xué)家團(tuán)隊(duì)，揭示了一種新機(jī)制，這一機(jī)制重塑了我們對(duì)腦血流調(diào)節(jié)方式的理解。該研究發(fā)表于《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences，PNAS），介紹了一種名為“電-鈣偶聯(lián)”（Electro-Calcium Coupling，E-Ca Coupling）的過(guò)程，該過(guò)程整合了腦毛細(xì)血管中的電信號(hào)和鈣信號(hào)，以確保向活躍神經(jīng)元精確輸送血液。論文題目“腦毛細(xì)血管中的電鈣偶聯(lián)：快速傳播的電信號(hào)觸發(fā)局部鈣信號(hào)”（Electrocalcium coupling in brain capillaries: Rapidly traveling electrical signals ignite local calcium signals）。

研究于2024年12月9日發(fā)表在《Proceedings of the National Academy of Sciences》（最新影響因子：9.4）雜志上

在人體中，血液從表面動(dòng)脈通過(guò)穿通動(dòng)脈（從動(dòng)脈分支出的小血管）以及數(shù)百英里長(zhǎng)的毛細(xì)血管輸送到大腦，這些毛細(xì)血管極大地?cái)U(kuò)展了灌注區(qū)域。大腦是一個(gè)代謝需求極高且缺乏大量能量?jī)?chǔ)備的器官，它能夠在血壓波動(dòng)的情況下維持恒定的血流（自動(dòng)調(diào)節(jié)），但依賴于按需輸送過(guò)程，即神經(jīng)元活動(dòng)觸發(fā)局部血流增加，以選擇性地向活躍區(qū)域分配氧氣和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。

 Nelson 表示：“這種由神經(jīng)血管偶聯(lián)（Neurovascular coupling，NVC）機(jī)制共同介導(dǎo)的使用依賴性局部血流增加（功能性充血）對(duì)于正常大腦功能至關(guān)重要，并且是功能性磁共振成像（fMRI）的生理基礎(chǔ)。此外，包括功能性充血在內(nèi)的腦血流（Cerebral blood flow，CBF）不足是腦小血管病（Small vessel diseases，SVD）和阿爾茨海默病在出現(xiàn)明顯臨床癥狀之前的早期特征。”

腦血流輸送依賴于電信號(hào)機(jī)制，該機(jī)制通過(guò)毛細(xì)血管網(wǎng)絡(luò)傳播至上游動(dòng)脈小血管以輸送血液，還依賴于鈣信號(hào)機(jī)制，該機(jī)制對(duì)局部血流進(jìn)行微調(diào)。多年來(lái)，人們一直認(rèn)為這些機(jī)制是獨(dú)立運(yùn)作的。然而，Nelson 的研究揭示，這些系統(tǒng)通過(guò) E-Ca 偶聯(lián)緊密相連，其中電信號(hào)增強(qiáng)鈣進(jìn)入細(xì)胞，放大局部信號(hào)并將其影響擴(kuò)展到鄰近細(xì)胞。

 研究表明，毛細(xì)血管細(xì)胞的電超極化通過(guò)激活毛細(xì)血管內(nèi)皮細(xì)胞中的 Kir2.1 通道迅速傳播，這些通道是細(xì)胞膜上的特殊蛋白質(zhì)，能夠檢測(cè)鉀水平的變化并通過(guò)細(xì)胞間傳遞來(lái)放大電信號(hào)。這會(huì)在毛細(xì)血管網(wǎng)絡(luò)中形成波浪狀的電信號(hào)。同時(shí)，由 IP3 受體（位于細(xì)胞內(nèi)儲(chǔ)存部位的膜上的蛋白質(zhì)）引發(fā)的鈣信號(hào)會(huì)對(duì)特定的化學(xué)信號(hào)做出反應(yīng)，釋放儲(chǔ)存的鈣，通過(guò)觸發(fā)血管反應(yīng)來(lái)微調(diào)血流。E-Ca 偶聯(lián)將這兩個(gè)過(guò)程連接起來(lái)，Kir2.1通道產(chǎn)生的電波增強(qiáng)了鈣活性，形成了一個(gè)同步系統(tǒng)，既能局部調(diào)整血流，也能在更廣泛的范圍內(nèi)調(diào)整血流。

 研究人員使用先進(jìn)的成像技術(shù)和計(jì)算機(jī)模型，觀察了這一機(jī)制的實(shí)際作用。他們發(fā)現(xiàn)，毛細(xì)血管細(xì)胞中的電信號(hào)使鈣活性提高了 76%，顯著增強(qiáng)了其影響血流的能力。當(dāng)團(tuán)隊(duì)通過(guò)刺激這些細(xì)胞來(lái)模擬大腦活動(dòng)時(shí)，鈣信號(hào)增加了 35%，顯示了這些信號(hào)如何在毛細(xì)血管網(wǎng)絡(luò)中傳播。有趣的是，他們發(fā)現(xiàn)信號(hào)在毛細(xì)血管床中均勻傳播，確保所有區(qū)域的血流保持平衡，而不偏向某一方向。

Nelson 指出：“最近，UVM 團(tuán)隊(duì)還證明，腦小血管病和阿爾茨海默病中的腦血流不足可以通過(guò)電信號(hào)的一個(gè)關(guān)鍵輔因子來(lái)糾正。當(dāng)前的研究表明，鈣信號(hào)也可能得到恢復(fù)。可以這么說(shuō)，我們的‘圣杯’是早期恢復(fù)腦血管病的腦血流能否減緩認(rèn)知能力下降。”

 這一發(fā)現(xiàn)強(qiáng)調(diào)了毛細(xì)血管在調(diào)節(jié)大腦血流中的關(guān)鍵作用。通過(guò)研究電信號(hào)和鈣信號(hào)如何通過(guò)電-鈣偶聯(lián)協(xié)同工作，該研究揭示了大腦高效地將血液輸送到對(duì)氧氣和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)需求最大的區(qū)域的能力。這尤為重要，因?yàn)?strong>血流中斷是許多神經(jīng)系統(tǒng)疾病（如卒中、失智癥和阿爾茨海默�。�的標(biāo)志性特征。了解 E-Ca 偶聯(lián)的機(jī)制為探索這些疾病的治療方法提供了新的框架，可能開(kāi)發(fā)出恢復(fù)或增強(qiáng)血流并保護(hù)大腦健康的治療方法。這一突破還提供了對(duì)大腦如何維持能量平衡的更深入理解，這對(duì)于維持認(rèn)知和軀體功能至關(guān)重要。

創(chuàng)立于1791年的佛蒙特大學(xué)

參考文獻(xiàn)

Source：University of Vermont

UVM research team unveils breakthrough mechanism in brain blood flow regulation

Reference：

Mughal, Amreen et al, Electrocalcium coupling in brain capillaries: Rapidly traveling electrical signals ignite local calcium signals, Proceedings of the National Academy of Sciences (2024). DOI: 10.1073/pnas.2415047121. doi.org/10.1073/pnas.2415047121

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       原文標(biāo)題 : 揭示腦血流調(diào)節(jié)機(jī)制的重大突破