Local oxygen homeostasis during various neuronal network activity states in the mouse hippocampus

小鼠海馬體不同神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)活動狀態(tài)下的局部氧穩(wěn)態(tài)

來源：Journal of Cerebral Blood Flow & Metabolism，Vol 39, Issue 5, 2019

《腦血流與代謝雜志》，第39卷第5期，2019年

 

摘要

這篇論文的摘要討論了小鼠海馬體CA3區(qū)域在不同神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)活動狀態(tài)下的局部腦氧代謝率（CMRO2）。研究重點(diǎn)包括伽馬振蕩和尖銳波漣漪等生理狀態(tài)，這些狀態(tài)與感覺感知和記憶形成相關(guān)，并依賴于抑制性GABA能神經(jīng)元。摘要指出，局部CMRO2在伽馬振蕩時最高（3.4 mM/min），在尖銳波漣漪、異步活動和異氟烷應(yīng)用時中等（2.0-1.6 mM/min），在TTX應(yīng)用時最低（1.4 mM/min）。能量消耗主要與軸突和突觸信號相關(guān)，占伽馬振蕩時能量支出的50%以上。CMRO2與突觸活性和同步性正相關(guān)。通過微血管定量分析，建模顯示伽馬振蕩需要33 mmHg的血管氧分壓來維持氧化磷酸化。摘要結(jié)論是，伽馬振蕩的高能量需求需要血流動力學(xué)響應(yīng)來匹配線粒體氧消耗，且抑制性神經(jīng)元顯著貢獻(xiàn)于腦能量預(yù)算。

 

研究目的

本研究旨在確定海馬體局部神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)在不同活動狀態(tài)下的腦氧代謝率（CMRO2）和血管氧供應(yīng)，探討能量代謝與腦功能（如伽馬振蕩和尖銳波漣漪）的關(guān)系，并評估抑制性神經(jīng)元在能量消耗中的作用。

 

研究思路

研究思路包括使用小鼠急性海馬切片，在體外模擬不同網(wǎng)絡(luò)活動狀態(tài)（如伽馬振蕩、尖銳波漣漪、異步活動、異氟烷麻醉樣狀態(tài)和TTX抑制狀態(tài)）。通過記錄局部場電位和氧濃度（使用丹麥Unisense電極），結(jié)合免疫組化（染色毛細(xì)血管）和數(shù)學(xué)建模（反應(yīng)-擴(kuò)散模型），量化局部CMRO2、毛細(xì)血管距離（ICD）和氧供應(yīng)。研究還分析局部場電位特征（如功率和多單元活動）與CMRO2的相關(guān)性，以評估能量消耗與神經(jīng)活動的關(guān)系。

 

測量的數(shù)據(jù)及研究意義

1 局部CMRO2數(shù)據(jù)：測量了不同網(wǎng)絡(luò)活動狀態(tài)下的CMRO2值，顯示伽馬振蕩時最高（3.4 mM/min），尖銳波漣漪時中等（2.0 mM/min），異步活動和異氟烷時較低（1.7-1.6 mM/min），TTX時最低（1.4 mM/min）。這些數(shù)據(jù)來自圖2和表1。研究意義在于揭示了不同腦活動狀態(tài)的能量需求差異，伽馬振蕩作為高能量過程，可能與高級腦功能相關(guān)。

 

 

 

2 局部場電位特征數(shù)據(jù)：分析了伽馬振蕩的峰值功率和半高全寬（FWHM），以及尖銳波漣漪的振幅和頻率。CMRO2與伽馬振蕩功率正相關(guān)（r=0.393），與FWHM負(fù)相關(guān)（r=-0.404），與尖銳波振幅正相關(guān)（r=0.517）。這些數(shù)據(jù)來自圖3。研究意義在于表明能量消耗隨突觸活性和同步性增加而增加，突觸信號是能量支出的主要因素。

 

3 多單元活動數(shù)據(jù)：通過高通濾波提取動作電位頻率，顯示伽馬振蕩時多單元活動頻率最高，與CMRO2正相關(guān)（r=0.852）。這些數(shù)據(jù)來自圖4。研究意義在于確認(rèn)神經(jīng)元放電活動與能量代謝直接相關(guān)，支持動作電位和突觸傳遞在能量預(yù)算中的貢獻(xiàn)。

 

 

4 毛細(xì)血管距離數(shù)據(jù)：通過抗層粘連蛋白染色測量海馬體CA3區(qū)域毛細(xì)血管距離（ICD），中位數(shù)為44 μm。這些數(shù)據(jù)來自圖5a和5b。研究意義在于提供了微血管架構(gòu)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，用于建模氧擴(kuò)散距離。

 

 

5 組織氧濃度和CMRO2衰減數(shù)據(jù)：建模顯示，在毛細(xì)血管氧分壓為23 mmHg時，伽馬振蕩導(dǎo)致組織氧濃度在1/2ICD處接近缺氧閾值（8 mmHg），CMRO2衰減顯著。這些數(shù)據(jù)來自圖5c、5d和5e。研究意義在于表明高能量活動如伽馬振蕩可能面臨氧供應(yīng)不足風(fēng)險，需要血流動力學(xué)響應(yīng)來維持氧穩(wěn)態(tài)。

 

 

結(jié)論

研究得出結(jié)論，伽馬振蕩是能量需求最高的網(wǎng)絡(luò)活動狀態(tài)，CMRO2與突觸活性和同步性正相關(guān)。抑制性GABA能神經(jīng)元在能量預(yù)算中起重要作用。高能量活動需要血流動力學(xué)響應(yīng)來增加氧供應(yīng)，以避免缺氧。微血管架構(gòu)和氧擴(kuò)散模型顯示，毛細(xì)血管距離和氧分壓是維持氧化磷酸化的關(guān)鍵因素。

 

使用丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的研究意義

使用丹麥Unisense OX-10氧微傳感器測量數(shù)據(jù)的研究意義在于提供了高空間分辨率（約10 μm）的局部氧濃度測量，使研究人員能夠精確量化海馬體切片中的氧代謝動態(tài)。這種電極通過兩步校準(zhǔn)（0%和95% O2飽和）確保數(shù)據(jù)可靠性，并最小化組織損傷。測量得到的氧深度剖面用于計算CMRO2，揭示了不同網(wǎng)絡(luò)活動狀態(tài)下的能量需求差異。例如，在伽馬振蕩時，CMRO2最高，表明高同步活動需要更多氧消耗。這些數(shù)據(jù)結(jié)合數(shù)學(xué)建模，預(yù)測了在體條件下的氧供應(yīng)需求，強(qiáng)調(diào)了血流動力學(xué)響應(yīng)在匹配氧消耗中的重要性。Unisense電極的數(shù)據(jù)直接支持了腦能量代謝與神經(jīng)功能關(guān)聯(lián)的量化分析，為理解腦疾病（如中風(fēng)或阿爾茨海默病）中的代謝紊亂提供了基礎(chǔ)。