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思考的食物:新地图揭示大脑是如何保持营养的

微尺度的描述解决了一个世纪以来的脑能量使用和血管簇的难题

我们的大脑是不停的消费者。错综复杂的血管,端到端的长度相当于从圣地亚哥到伯克利的距离,确保了氧气和糖的持续流动,以保持我们的大脑在最高水平运行。

但是,这个复杂的系统是如何确保大脑中更活跃的部分获得足够的营养,而不是要求较低的部分呢?加州大学圣地亚哥分校的科学家们在一项新发表的研究中帮助回答了神经科学中一个世纪以来的问题。

图像

新开发的大脑地图具有前所未有的细节,有助于回答有关脑血流的关键问题。这些新地图提供了比百万分之一米更细的分辨率,这里重建的微血管密度高的区域是红色的,中等密度的区域是白色的,低密度的区域是蓝色的。来源:向吉和埃德蒙·奥唐奈,加州大学圣地亚哥分校

研究老鼠的大脑,一个研究小组由香,大卫·克莱菲尔德和他们的同事已经破译大脑能源消耗和血管密度的问题通过新开发的详细地图,大脑连接到一个更好的分辨率比一米的1000000或100的人类头发的厚度。

作为生物学和物理学交叉路口工作的结果,新的地图为这些“微血管”及其在血液供应链中的各种功能提供了新颖的见解。潜在的技术和技术研究结果发表在3月2日的杂志上神经元

加州大学圣地亚哥分校物理系(物理科学部)和神经生物学部(生物科学部)的Kleinfeld教授说:“我们开发了一种实验和计算管道,以前所未有的完整性和准确性来标记、成像和重建整个小鼠大脑中的微血管系统。”克莱因菲尔德说,这种努力类似于逆向工程。“这使得Xiang能够进行复杂的计算,不仅将脑能量消耗与血管密度联系起来,而且还预测了脑毛细血管损失和脑健康突然下降之间的临界点。”

早在1920年,关于血管如何将营养输送到活跃区域和不活跃区域的问题就成为生理学上的一个普遍问题。到了20世纪80年代,现代正电子发射断层摄影术(PET)的前身,一种被称为自放射摄影术的技术,使科学家得以测量小鼠大脑中糖代谢的分布。

为了完全掌握和解决这个问题,Ji, Kleinfeld和他们在霍华德休斯医学研究所Janelia研究校园和加州大学圣地亚哥雅各布斯工程学院的同事们用一种染料标记凝胶填充了小鼠大脑中99.9%的血管——将近650万。然后,他们以亚微米的精度对整个大脑进行成像。这导致每个大脑产生15万亿体素,或单个体积元素,这些体素被转换成数字血管网络,可以用数据科学工具进行分析。

有了新地图,研究人员确定大脑每个区域的氧气浓度大致相同。但他们发现,小血管是补偿不同能量需求的关键成分。例如,白质束是低能量需求的区域,它将神经冲动传递到两个大脑半球和脊髓。研究人员发现那里的血管水平较低。相比之下,协调感知声音的大脑区域要多消耗三倍的能量,而且他们发现,这些区域的血管密度要高得多。

“在生物系统复杂性不断增加的时代,观察哺乳动物大脑中看似复杂的网络背后共同出现的简单和定量的设计规则,是一件令人着迷的事情,”物理学研究生纪万昌说。

接下来,研究人员希望深入研究新地图的细节,以确定整个大脑血液流动和流出的详细模式。他们还将研究大脑和免疫系统之间的未知关系。

论文作者包括Ji Xiang, Tiago Ferreira, Beth Friedman, Rui Liu, Hannah Liechty, Erhan Bas, Jayaram Chandrashekar和David Kleinfeld。

这项研究的资金由美国国家卫生研究院(NS097265、MH111438和NS108472)和霍华德·休斯医学研究所的mousellight项目提供。


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