人腦消耗大量能量，這些能量幾乎完全是由需要氧氣的新陳代謝形式產生的。因此，有效、及時的氧氣分配和輸送對于健康的大腦功能至關重要，然而，這一過程的精確機制在很大程度上仍然不為科學家所知。

今天在《科學》雜志上描述的一種新的生物發光成像技術已經創建了小鼠大腦中氧氣運動的高度詳細且視覺上引人注目的圖像。

該方法可以很容易地被其他實驗室復制，將使研究人員能夠更精確地研究缺氧的形式，例如中風或心臟病發作期間發生的大腦部分缺氧。它已經讓我們深入了解為什么久坐的生活方式會增加患阿爾茨海默病等疾病的風險。

“這項研究表明，我們可以連續監測大腦大范圍內氧氣濃度的變化，”羅切斯特大學和波士頓大學轉化神經醫學中心聯合主任 Maiken Nedergaard 說。哥本哈根。

Maiken Nedergaard 說：“這為我們提供了大腦中實時發生的情況的更詳細圖像，使我們能夠識別以前未檢測到的暫時缺氧區域，這些區域反映了可能引發神經缺陷的血流變化。”

螢火蟲和偶然的科學

新方法采用了發光蛋白，這是螢火蟲中發現的生物發光蛋白的化學近親。這些蛋白質已用于癌癥研究，它們利用病毒向細胞發出指令，以產生酶形式的發光蛋白質。當酶遇到稱為呋喃嗪的底物時，化學反應會產生光。

與許多重要的科學發現一樣，利用這一過程對大腦中的氧氣進行成像是偶然發現的。哥本哈根大學轉化神經科學中心助理教授 Felix Beinlich 最初打算使用發光蛋白來測量大腦中的鈣活動。很明顯，蛋白質生產中存在錯誤，導致研究延遲了數月之久。

在 Felix Beinlich 等待制造商提供新批次的同時，他決定繼續進行實驗，以測試和優化監控系統。該病毒用于向星形膠質細胞傳遞產生酶的指令，星形膠質細胞是大腦中無處不在的支持細胞，可維持神經元的健康和信號功能，并將底物直接注射到大腦中。

記錄顯示了通過生物發光強度波動來識別的活動，研究人員懷疑并且后來證實，這反映了氧氣的存在和濃度。 “在這種情況下，化學反應依賴于氧氣，因此當存在酶、底物和氧氣時，系統開始發光，”Felix Beinlich 說。

雖然現有的氧氣監測技術可以提供有關大腦一小部分區域的信息，但研究人員實時觀察了小鼠的整個皮層。生物發光的強度與氧氣濃度相對應，研究人員通過改變動物呼吸的空氣中的氧氣量來證明這一點。

光強度的變化也與感官處理相對應。例如，當用一股空氣刺激小鼠的胡須時，研究人員可以看到大腦相應的感覺區域被點亮。

“缺氧區域”可能預示著患阿爾茨海默病的風險

大腦在沒有氧氣的情況下無法長時間生存，中風或心臟病發作后迅速出現的神經損傷就證明了這一點。但是，當大腦的一小部分短暫缺氧時會發生什么?

直到尼德加德實驗室的團隊開始仔細研究新錄音之前，研究人員甚至沒有提出這個問題。在監測小鼠時，研究人員觀察到大腦的特定微小區域會間歇性變暗，有時持續幾秒鐘，這意味著氧氣供應被切斷。

氧氣通過巨大的動脈網絡和滲透腦組織的較小毛細血管(或微血管)在整個大腦中循環。通過一系列實驗，研究人員能夠確定由于毛細血管停滯而導致缺氧，當白細胞暫時阻塞微血管并阻止攜帶氧氣的紅細胞通過時就會發生這種情況。

研究人員將這些區域稱為“缺氧區”，與小鼠活動時相比，它們在休息狀態下的大腦中更為普遍。據信，毛細血管停滯會隨著年齡的增長而增加，并且已在阿爾茨海默病模型中觀察到。

Maiken Nedergaard 說：“研究一系列與大腦缺氧相關的疾病的大門是敞開的，包括阿爾茨海默病、血管性癡呆和長期新冠病毒，以及久坐的生活方式、衰老、高血壓和其他因素如何導致這些疾病。”并補充道：

“它還提供了一種工具來測試不同的藥物和運動類型，以改善血管健康并減緩癡呆癥的發展。”

您可以在《科學》中閱讀“在此處插入研究名稱和鏈接”的研究。