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Altered hypermetabolic response to cortical spreading depolarizations after traumatic brain injury in rats
大鼠創傷性腦損傷后皮質擴散性去極化引發的超高代謝反應發生改變
來源：Journal of Cerebral Blood Flow & Metabolism, Volume 37, Issue 5, 2017, Pages 1670-1686
《腦血流與代謝雜志》，第37卷，第5期，2017年，第1670-1686頁
摘要
本研究利用微創實時傳感器檢測了大鼠腦局部血流量、腦組織氧分壓、葡萄糖和乳酸濃度的變化。皮質擴散性去極化是神經元跨膜離子梯度近乎完全崩潰、自由能匱乏和群體去極化的波。在未受損皮層，SDs誘導了以腦葡萄糖下降、局部腦血流量、腦組織氧分壓和腦乳酸單相性增加為特征的高代謝反應，表明存在短暫的高糖酵解。在創傷性腦損傷后，創傷半暗帶自發產生的SDs導致腦葡萄糖進一步下降，局部腦血流量增幅減小，腦組織氧分壓和腦乳酸出現雙相反應并隨后持續下降。創傷動物的腦組織氧分壓和腦乳酸恢復顯著延遲。SDs簇發生前的腦葡萄糖水平決定了其對簇發SDs的代謝反應。結果表明，創傷性腦損傷后，大腦對SDs的高代謝反應受損，且恢復到生理條件的速度更慢。
研究目的
本研究旨在調查大鼠創傷性腦損傷后創傷半暗帶的代謝和血管變化，特別關注SDs對代謝和微血管的影響。研究試圖比較在正常大腦和創傷后大腦中，SDs引發的代謝和血流反應有何不同，以更好地理解創傷性腦損傷后繼發性腦損傷的機制。
研究思路
研究思路是通過在大鼠側方液體沖擊損傷模型上，使用微創實時傳感器，在三種不同條件下測量并比較SDs發生時的腦代謝和血流參數：1. 在未受傷的正常皮層通過KCl化學觸發SDs；2. 在創傷性腦損傷后的創傷半暗帶記錄自發性SDs；3. 在創傷性腦損傷后，通過遠程窗口應用KCl觸發一簇SDs，讓其侵入半暗帶組織。通過比較這些條件下局部腦血流量、腦組織氧分壓、腦葡萄糖和腦乳酸的變化，來評估創傷性腦損傷如何改變大腦對SDs的反應。
測量的數據及研究意義
1. 局部腦血流量：使用激光多普勒血流儀測量。數據主要展示在Figure 1(c), Figure 2, Figure 4中。研究意義：rCBF的變化反映了神經血管耦合功能。在正常大腦，SDs引發短暫的充血反應。在創傷性腦損傷后，基線rCBF降低，且SDs引發的充血反應幅度減小，這表明創傷后腦血管對SDs的舒張反應能力受損，可能影響能量底物的輸送。
2. 腦組織氧分壓：使用丹麥Unisense的Clark型氧微傳感器測量。數據主要展示在Figure 1(c), Figure 2, Figure 4中。研究意義：PbtO2直接反映腦組織氧供應狀況。在正常大腦，SDs引起PbtO2單相升高。而在創傷性腦損傷后，SDs引發PbtO2雙相反應，即先短暫下降后升高，并且恢復延遲。這表明創傷后腦組織在SDs期間的氧利用和供應平衡被打破，存在暫時的氧供需不匹配。
3. 腦葡萄糖濃度：使用葡萄糖氧化酶生物傳感器測量。數據主要展示在Figure 1(c), Figure 3, Figure 5中。研究意義：[Glc]b反映了腦內主要能量底物的可用性。創傷性腦損傷后基線[Glc]b顯著降低，表明創傷半暗帶處于能量底物匱乏狀態。SDs在兩組均引起[Glc]b下降，但在創傷組下降至更低的絕對值，增加了能量危機風險。
4. 腦乳酸濃度：使用乳酸氧化酶生物傳感器測量。數據主要展示在Figure 1(c), Figure 3, Figure 5中。研究意義：[Lac]b是糖酵解活性的標志。在正常大腦，SDs引起[Lac]b大幅升高，表明有氧高糖酵解。而在創傷性腦損傷后，SDs引發的[Lac]b升高幅度顯著減小，甚至出現雙相反應和總體下降。這提示創傷后大腦可能無法有效啟動或維持高糖酵解來應對SDs帶來的能量需求，或者乳酸被更快地清除或利用。
5. 腦氧代謝率：根據rCBF和PbtO2數據離線計算得出。數據展示在Figure 2, Figure 4中。研究意義：CMRO2反映了腦組織的耗氧量，即有氧代謝水平。SDs在兩組均引起CMRO2的瞬時增加，表明去極化事件本身需要大量能量來恢復離子梯度。在創傷組，SDs簇發期間，兩次SDs之間的CMRO2持續升高，表明持續的代謝應激。
6. 乳酸/葡萄糖比值：由[Lac]b和[Glc]b計算得出。數據展示在Figure 5中。研究意義：L/G比值是臨床判斷預后的重要指標。研究發現，SDs簇發前較低的[Glc]b與簇發期間L/G比值增加相關，提示能量底物匱乏可能加劇SDs簇發期間的代謝失衡。
結論
本研究得出的主要結論是：1. 創傷性腦損傷后，大腦皮層對SDs的高代謝反應發生顯著改變，表現為充血反應減弱、乳酸產生不足、氧合和乳酸恢復延遲。2. 創傷半暗帶在SDs挑戰下表現出代謝失衡的跡象，其從SDs中恢復的能力受損。3. SDs簇發對創傷后大腦的代謝影響更為嚴重，尤其是在基線葡萄糖水平較低的情況下，會加劇代謝危機。這些改變可能共同導致了創傷性腦損傷后SDs相關的繼發性腦損傷。
使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義
在本文中，使用丹麥Unisense公司生產的Clark型氧微傳感器測量腦組織氧分壓具有關鍵的研究意義。該傳感器的尖端直徑僅為10微米，具有極高的空間分辨率，能夠最小化對腦組織的損傷，從而獲得更接近生理狀態的測量結果。其研究意義在于：1. 高精度與實時性：該傳感器能夠實時、連續、高精度地監測PbtO2的快速動態變化，這對于捕捉SDs這種短暫事件中PbtO2的瞬時雙相反應至關重要。本研究首次清晰揭示了在創傷性腦損傷背景下，SDs引發的PbtO2先降后升的特殊模式，這是在傳統微透析等技術中難以精確觀察到的。2. 計算腦氧代謝率的基礎：高頻率采集的PbtO2數據與同步記錄的rCBF數據相結合，使得能夠離線逐秒計算CMRO2。這為了解SDs期間及之后腦組織的有氧代謝動態提供了獨一無二的視角，證實了SDs伴隨CMRO2的急劇增加，并在創傷后恢復延遲。3. 揭示病理生理機制：通過精確測量PbtO2的變化，本研究為創傷后半暗帶存在氧供需瞬時失平衡（SDs初期PbtO2下降）提供了直接證據，這有助于解釋為何創傷后大腦對SDs的耐受性更差，恢復更慢。總之，丹麥Unisense氧電極的應用為本研究提供了高質量、高時間分辨率的腦組織氧合數據，是揭示創傷性腦損傷后SDs引發代謝反應改變的核心技術支撐，極大地增強了對相關病理生理過程的理解。
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Altered hypermetabolic response to cortical spreading depolarizations after traumatic brain injury in rats
大鼠創傷性腦損傷后皮質擴散性去極化引發的超高代謝反應發生改變
來源：Journal of Cerebral Blood Flow & Metabolism, Volume 37, Issue 5, 2017, Pages 1670-1686
《腦血流與代謝雜志》，第37卷，第5期，2017年，第1670-1686頁
摘要
本研究利用微創實時傳感器檢測了大鼠腦局部血流量、腦組織氧分壓、葡萄糖和乳酸濃度的變化。皮質擴散性去極化是神經元跨膜離子梯度近乎完全崩潰、自由能匱乏和群體去極化的波。在未受損皮層，SDs誘導了以腦葡萄糖下降、局部腦血流量、腦組織氧分壓和腦乳酸單相性增加為特征的高代謝反應，表明存在短暫的高糖酵解。在創傷性腦損傷后，創傷半暗帶自發產生的SDs導致腦葡萄糖進一步下降，局部腦血流量增幅減小，腦組織氧分壓和腦乳酸出現雙相反應并隨后持續下降。創傷動物的腦組織氧分壓和腦乳酸恢復顯著延遲。SDs簇發生前的腦葡萄糖水平決定了其對簇發SDs的代謝反應。結果表明，創傷性腦損傷后，大腦對SDs的高代謝反應受損，且恢復到生理條件的速度更慢。
研究目的
本研究旨在調查大鼠創傷性腦損傷后創傷半暗帶的代謝和血管變化，特別關注SDs對代謝和微血管的影響。研究試圖比較在正常大腦和創傷后大腦中，SDs引發的代謝和血流反應有何不同，以更好地理解創傷性腦損傷后繼發性腦損傷的機制。
研究思路
研究思路是通過在大鼠側方液體沖擊損傷模型上，使用微創實時傳感器，在三種不同條件下測量并比較SDs發生時的腦代謝和血流參數：1. 在未受傷的正常皮層通過KCl化學觸發SDs；2. 在創傷性腦損傷后的創傷半暗帶記錄自發性SDs；3. 在創傷性腦損傷后，通過遠程窗口應用KCl觸發一簇SDs，讓其侵入半暗帶組織。通過比較這些條件下局部腦血流量、腦組織氧分壓、腦葡萄糖和腦乳酸的變化，來評估創傷性腦損傷如何改變大腦對SDs的反應。
測量的數據及研究意義
1. 局部腦血流量：使用激光多普勒血流儀測量。數據主要展示在Figure 1(c), Figure 2, Figure 4中。研究意義：rCBF的變化反映了神經血管耦合功能。在正常大腦，SDs引發短暫的充血反應。在創傷性腦損傷后，基線rCBF降低，且SDs引發的充血反應幅度減小，這表明創傷后腦血管對SDs的舒張反應能力受損，可能影響能量底物的輸送。
2. 腦組織氧分壓：使用丹麥Unisense的Clark型氧微傳感器測量。數據主要展示在Figure 1(c), Figure 2, Figure 4中。研究意義：PbtO2直接反映腦組織氧供應狀況。在正常大腦，SDs引起PbtO2單相升高。而在創傷性腦損傷后，SDs引發PbtO2雙相反應，即先短暫下降后升高，并且恢復延遲。這表明創傷后腦組織在SDs期間的氧利用和供應平衡被打破，存在暫時的氧供需不匹配。
3. 腦葡萄糖濃度：使用葡萄糖氧化酶生物傳感器測量。數據主要展示在Figure 1(c), Figure 3, Figure 5中。研究意義：[Glc]b反映了腦內主要能量底物的可用性。創傷性腦損傷后基線[Glc]b顯著降低，表明創傷半暗帶處于能量底物匱乏狀態。SDs在兩組均引起[Glc]b下降，但在創傷組下降至更低的絕對值，增加了能量危機風險。
4. 腦乳酸濃度：使用乳酸氧化酶生物傳感器測量。數據主要展示在Figure 1(c), Figure 3, Figure 5中。研究意義：[Lac]b是糖酵解活性的標志。在正常大腦，SDs引起[Lac]b大幅升高，表明有氧高糖酵解。而在創傷性腦損傷后，SDs引發的[Lac]b升高幅度顯著減小，甚至出現雙相反應和總體下降。這提示創傷后大腦可能無法有效啟動或維持高糖酵解來應對SDs帶來的能量需求，或者乳酸被更快地清除或利用。
5. 腦氧代謝率：根據rCBF和PbtO2數據離線計算得出。數據展示在Figure 2, Figure 4中。研究意義：CMRO2反映了腦組織的耗氧量，即有氧代謝水平。SDs在兩組均引起CMRO2的瞬時增加，表明去極化事件本身需要大量能量來恢復離子梯度。在創傷組，SDs簇發期間，兩次SDs之間的CMRO2持續升高，表明持續的代謝應激。
6. 乳酸/葡萄糖比值：由[Lac]b和[Glc]b計算得出。數據展示在Figure 5中。研究意義：L/G比值是臨床判斷預后的重要指標。研究發現，SDs簇發前較低的[Glc]b與簇發期間L/G比值增加相關，提示能量底物匱乏可能加劇SDs簇發期間的代謝失衡。
結論
本研究得出的主要結論是：1. 創傷性腦損傷后，大腦皮層對SDs的高代謝反應發生顯著改變，表現為充血反應減弱、乳酸產生不足、氧合和乳酸恢復延遲。2. 創傷半暗帶在SDs挑戰下表現出代謝失衡的跡象，其從SDs中恢復的能力受損。3. SDs簇發對創傷后大腦的代謝影響更為嚴重，尤其是在基線葡萄糖水平較低的情況下，會加劇代謝危機。這些改變可能共同導致了創傷性腦損傷后SDs相關的繼發性腦損傷。
使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義
在本文中，使用丹麥Unisense公司生產的Clark型氧微傳感器測量腦組織氧分壓具有關鍵的研究意義。該傳感器的尖端直徑僅為10微米，具有極高的空間分辨率，能夠最小化對腦組織的損傷，從而獲得更接近生理狀態的測量結果。其研究意義在于：1. 高精度與實時性：該傳感器能夠實時、連續、高精度地監測PbtO2的快速動態變化，這對于捕捉SDs這種短暫事件中PbtO2的瞬時雙相反應至關重要。本研究首次清晰揭示了在創傷性腦損傷背景下，SDs引發的PbtO2先降后升的特殊模式，這是在傳統微透析等技術中難以精確觀察到的。2. 計算腦氧代謝率的基礎：高頻率采集的PbtO2數據與同步記錄的rCBF數據相結合，使得能夠離線逐秒計算CMRO2。這為了解SDs期間及之后腦組織的有氧代謝動態提供了獨一無二的視角，證實了SDs伴隨CMRO2的急劇增加，并在創傷后恢復延遲。3. 揭示病理生理機制：通過精確測量PbtO2的變化，本研究為創傷后半暗帶存在氧供需瞬時失平衡（SDs初期PbtO2下降）提供了直接證據，這有助于解釋為何創傷后大腦對SDs的耐受性更差，恢復更慢。總之，丹麥Unisense氧電極的應用為本研究提供了高質量、高時間分辨率的腦組織氧合數據，是揭示創傷性腦損傷后SDs引發代謝反應改變的核心技術支撐，極大地增強了對相關病理生理過程的理解。