An auditory brainstem nucleus as a model system for neuronal metabolic demands

聽覺(jué)腦干核團(tuán)作為神經(jīng)元代謝需求的模型系統(tǒng)

來(lái)源：European Journal of Neuroscience, Volume 47, 2018, Pages 222-235

《歐洲神經(jīng)科學(xué)雜志》，第47卷，2018年，頁(yè)碼222-235

 

摘要

論文摘要指出，神經(jīng)元活動(dòng)與代謝之間的相關(guān)性對(duì)于編碼、可塑性、神經(jīng)系統(tǒng)疾病和功能神經(jīng)影像數(shù)據(jù)的解釋至關(guān)重要。代謝需求可能取決于神經(jīng)元類型，不同腦區(qū)的能量需求也不同。研究以側(cè)上橄欖核（LSO）為模型，該聽覺(jué)腦干核團(tuán)只包含一種神經(jīng)元類型，具有極高的放電頻率（數(shù)百赫茲）和低輸入電阻（幾兆歐姆）的生物物理特性。通過(guò)電刺激蒙古沙鼠急性腦干切片，監(jiān)測(cè)NADH、黃素腺嘌呤二核苷酸（FAD）自發(fā)熒光和O2濃度的變化，發(fā)現(xiàn)LSO在高達(dá)400 Hz的生理相關(guān)頻率下表現(xiàn)出典型的雙相NADH/FAD響應(yīng)。與海馬CA1區(qū)和大腦皮層相比，LSO的NADH/FADH2消耗和再生速率最慢，但頻率依賴性在消耗階段相似，在再生階段則不同。NADH、FAD和O2水平的變化以及代謝反應(yīng)阻斷表明線粒體氧化磷酸化在LSO中貢獻(xiàn)顯著，乳酸轉(zhuǎn)運(yùn)和互變也參與LSO代謝。結(jié)果表明LSO是腦代謝的一個(gè)合適且生物物理獨(dú)特的模型，神經(jīng)元特性決定代謝需求。

 

研究目的

研究目的是探討特定神經(jīng)元類型的代謝需求是否與其生物物理特性相關(guān)，以側(cè)上橄欖核（LSO）為模型，該核團(tuán)神經(jīng)元具有高放電頻率和低輸入電阻的特性，研究其代謝活動(dòng)如何響應(yīng)電刺激，并與其他腦區(qū)（海馬CA1、大腦皮層）比較，以揭示神經(jīng)元特性對(duì)代謝需求的影響。

 

研究思路

研究思路包括使用蒙古沙鼠急性腦干切片，通過(guò)電刺激LSO的傳入纖維，監(jiān)測(cè)NADH和FAD的自發(fā)熒光變化以及O2濃度，評(píng)估代謝響應(yīng)。比較LSO、海馬CA1區(qū)和大腦皮層的代謝特性，分析不同刺激頻率（10-400 Hz）和振幅下的響應(yīng)。通過(guò)藥理學(xué)實(shí)驗(yàn)阻斷特定代謝通路（如用魚藤酮阻斷復(fù)合物I，丙二酸阻斷琥珀酸脫氫酶，4-CIN阻斷單羧酸轉(zhuǎn)運(yùn)體，草氨酸鈉阻斷乳酸脫氫酶），并結(jié)合免疫組化分析代謝相關(guān)蛋白（LDH、MCTs）的表達(dá)，以闡明LSO的代謝機(jī)制。

 

測(cè)量的數(shù)據(jù)及研究意義

1. NADH和FAD自發(fā)熒光變化：數(shù)據(jù)來(lái)自圖1、2、3。研究意義是顯示LSO在電刺激下呈現(xiàn)雙相響應(yīng)（消耗和再生），證實(shí)神經(jīng)元活動(dòng)與代謝緊密耦合，且LSO的消耗和再生速率慢于其他腦區(qū)，表明其代謝適應(yīng)高頻率活動(dòng)。

 

 

 

 

 

2. O2濃度變化：數(shù)據(jù)來(lái)自圖4。研究意義是電刺激導(dǎo)致O2濃度降低，且依賴于刺激頻率和振幅，證明LSO代謝依賴線粒體氧化磷酸化，O2消耗與NADH/FAD變化同步。

 

3. 藥理學(xué)阻斷效果：數(shù)據(jù)來(lái)自圖4D-E、6。研究意義是阻斷復(fù)合物I（魚藤酮）和琥珀酸脫氫酶（丙二酸）顯著減少NADH/FAD變化，表明氧化磷酸化是主要ATP來(lái)源；阻斷MCTs（4-CIN）和LDH（草氨酸鈉）影響代謝響應(yīng)，證明乳酸轉(zhuǎn)運(yùn)和轉(zhuǎn)化參與LSO代謝。

 

4. 免疫組化結(jié)果：數(shù)據(jù)來(lái)自圖5。研究意義是LSO表達(dá)MCT1、MCT2、MCT4和LDH，支持乳酸在代謝中的作用，提示可能存在乳酸穿梭機(jī)制。

 

5. 腦區(qū)比較：數(shù)據(jù)來(lái)自圖2、3。研究意義是LSO、海馬和皮層對(duì)刺激頻率和振幅的響應(yīng)不同，LSO消耗速率最慢，再生速率頻率依賴性弱，表明代謝特性具有腦區(qū)特異性，與神經(jīng)元生物物理特性相關(guān)。

 

結(jié)論

論文得出結(jié)論，LSO作為均勻神經(jīng)元種群模型，其代謝特性與高放電頻率和低輸入電阻的生物物理特性相適應(yīng)，表現(xiàn)為較慢的NADH/FAD消耗和再生速率，主要依賴線粒體氧化磷酸化，并涉及乳酸代謝。不同腦區(qū)的代謝響應(yīng)差異表明神經(jīng)元類型和特性決定代謝需求，這有助于理解腦代謝異質(zhì)性和功能神經(jīng)影像數(shù)據(jù)的解釋。

 

使用丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的研究意義

使用丹麥Unisense電極（Clark型O2微電極）測(cè)量的O2濃度數(shù)據(jù)具有關(guān)鍵研究意義。該電極能實(shí)時(shí)、精確監(jiān)測(cè)細(xì)胞外O2濃度變化，提供高空間分辨率（10μm尖端）。在圖4中，電極數(shù)據(jù)顯示電刺激后LSO的O2濃度降低，且降低程度隨刺激頻率和振幅增加而增加，與NADH/FAD變化同步。這直接證明了LSO神經(jīng)元活動(dòng)增加時(shí)線粒體氧化磷酸化增強(qiáng)，O2消耗增加，支持了代謝與電活動(dòng)耦合的機(jī)制。電極的校準(zhǔn)和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)能力確保了數(shù)據(jù)的可靠性，為量化代謝需求提供了關(guān)鍵證據(jù)。此外，O2變化與藥理學(xué)阻斷實(shí)驗(yàn)結(jié)合，強(qiáng)化了氧化磷酸化在LSO中的主導(dǎo)作用。因此，Unisense電極的數(shù)據(jù)不僅驗(yàn)證了代謝理論，還為比較不同腦區(qū)代謝效率提供了實(shí)證基礎(chǔ)，深化了對(duì)神經(jīng)元能量代謝的理解。