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

小鼠海馬中各種神經元網絡活動狀態下的局部氧穩態

來源：Journal of Cerebral Blood Flow & Metabolism, Volume 39, Issue 5, 2019, Pages 859-873

《腦血流與代謝雜志》第39卷第5期，2019年，第859-873頁

 

摘要

這篇論文摘要闡述了大腦信息處理涉及多種活動狀態，由定時突觸興奮和抑制產生，但其基礎能量代謝尚不清楚。研究測量了海馬CA3區組織深度小于0.3毫米范圍內的腦氧代謝率（CMRO2），包括清醒和睡眠中發生的gamma振蕩和sharp wave-ripples，這些狀態與感覺感知和記憶形成相關，并 critically 依賴 perisomatic GABA抑制。此外，基于定量微血管分析建模血管氧輸送。結果發現，局部CMRO2在gamma振蕩時最高（3.4 mM/min），在sharp wave-ripples、異步活動和異氟烷應用時中等（2.0-1.6 mM/min），在TTX應用時最低（1.4 mM/min）。軸突和突觸信號的能量消耗在gamma振蕩時占50%以上。CMRO2與激活突觸的數量和同步性以及神經多單位活動正相關。毛細血管中位距離為44微米。gamma振蕩期間需要血管氧分壓33 mmHg以維持氧化磷酸化。結論是gamma振蕩具有高能量需求，需要血流響應來匹配呼吸線粒體的氧消耗，且 perisomatic抑制顯著貢獻腦能量預算。

 

研究目的

本研究旨在探討小鼠海馬中不同神經元網絡活動狀態下的腦氧代謝率（CMRO2）和血管氧供應，以理解能量消耗與腦功能復雜性的關系。具體目標是量化gamma振蕩、sharp wave-ripples等生理狀態下的氧耗，并評估血管氧輸送如何支持這些活動，從而揭示代謝需求與高階腦功能（如感知和記憶）之間的聯系。

 

研究思路

研究思路采用離體小鼠海馬腦片制備，通過電生理記錄局部場電位和氧濃度測量結合數學模型。首先，在腦片中誘導多種網絡活動狀態：gamma振蕩（使用carbachol）、sharp wave-ripples（自發）、異步活動、異氟烷麻醉樣狀態和TTX抑制狀態。使用玻璃電極記錄局部場電位，并使用丹麥Unisense氧微電極測量組織氧濃度深度剖面。通過免疫組化染色分析毛細血管距離，并建立反應-擴散模型計算CMRO2。數據統計分析包括相關性和組間比較，以確定氧耗與活動特性的關系。

 

測量的數據及研究意義

1 CMRO2值：gamma振蕩時最高（3.4 mM/min），sharp wave-ripples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）（來自表1）。研究意義在于直接量化不同網絡狀態的代謝需求，顯示gamma振蕩是能量最密集的活動，為理解腦功能能量成本提供基準。

 

2 能量消耗分配：gamma振蕩時，軸突和突觸信號的能量消耗占50%以上。研究意義在于突出突觸活動在能量預算中的主導作用，強調信號傳遞的代謝代價。

3 CMRO2與活動參數的相關性：CMRO2與gamma振蕩峰值功率正相關（r=0.393），與FWHM負相關（r=-0.404）；與sharp wave幅度正相關（r=0.517）；與多單位活動頻率正相關（r=0.852）（來自圖3和圖4）。研究意義在于證實代謝率與突觸同步性和神經元放電率直接相關，支持活動水平決定氧耗的假設。

 

 

4 毛細血管距離：中位距離為44 μm（來自圖5a和5b）。研究意義在于定義氧擴散的解剖限制，為建模氧供應提供關鍵參數。

 

5 血管氧需求：建模顯示gamma振蕩需要毛細血管氧分壓33 mmHg以維持氧化磷酸化（來自圖5c-e）。研究意義在于確定維持高能量活動的最小氧供應閾值，強調血流調節的重要性。

 

結論

1 gamma振蕩是能量需求最高的網絡活動狀態，CMRO2達3.4 mM/min，需要顯著氧供應支持。

2 能量消耗主要來自軸突和突觸信號，占50%以上，突顯信號傳遞的代謝成本。

3 CMRO2與突觸數量、同步性和神經元活動水平正相關，表明代謝率直接反映網絡活動強度。

4 毛細血管距離平均44 μm，氧擴散限制要求血流增加以匹配gamma振蕩的需求。

5 總體表明，高能量活動如gamma振蕩需要神經血管耦合確保氧輸送，perisomatic抑制是能量預算的重要貢獻者。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

使用丹麥Unisense氧微電極（型號OX-10）測量的數據在本研究中具有關鍵的研究意義。該電極具有高空間分辨率（尖端直徑10 μm），允許精確測量腦片中的氧濃度深度剖面，最小化組織損傷。數據用于計算局部CMRO2，通過記錄氧濃度隨深度變化（步長20 μm），并結合數學模型擬合，提供實時、定量的氧耗動態。這使研究能直接關聯氧消耗與特定網絡活動狀態，如驗證gamma振蕩時氧耗最高。電極的校準和穩定性確保數據可靠性，支持結論中氧供需平衡的洞察?？傊?，Unisense電極的應用實現了高精度氧監測，為理解腦能量代謝提供了實驗基礎。