思考食物:新地图揭示大脑是如何保持营养的

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我们的大脑是永不停歇的消费者。错综复杂的血管，端到端的堆叠长度相当于从圣地亚哥到伯克利的距离，确保氧气和糖的持续流动，以保持我们的大脑在最高水平上运转。

但是，这个复杂的系统是如何确保大脑中较活跃的部分获得足够的营养，而不是较不需要营养的部分呢?这是神经科学领域的一个百年难题，加州大学圣地亚哥分校的科学家在一项新发表的研究中帮助回答了这个问题。

最新开发的大脑图谱具有前所未有的细节，有助于回答有关脑血流量的关键问题。这些新地图提供了小于百万分之一米的分辨率，在这里重构为红色为高微血管密度区域，白色为中等密度区域，蓝色为低密度区域。资料来源:向吉和埃德蒙·奥唐纳，加州大学圣地亚哥分校

项骥(音)、大卫·克莱恩菲尔德(David Kleinfeld)和他们的同事领导的一个研究小组通过研究老鼠的大脑，破译了大脑能量消耗和血管密度的问题，他们通过新开发的地图，详细描述了大脑线路，分辨率比百万分之一米还细，或者是人类头发厚度的百分之一。

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的见解。底层的技术和技术研究结果发表在3月2日的杂志上神经元．

“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，在整个小鼠大脑中标记、成像和重建微血管系统，”加州大学圣地亚哥分校物理系(物理科学系)和神经生物学部门(生物科学系)的教授Kleinfeld说。克莱因菲尔德说，这种努力类似于逆向工程的性质。“这使得Xiang能够进行复杂的计算，不仅将大脑能量的使用与血管密度联系起来，而且还预测了大脑毛细血管损失和大脑健康状况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和不活跃的区域的问题就被提出作为生理学的一个普遍问题。到20世纪80年代，一种被称为自放射术的技术，即现代正电子发射断层扫描(PET)的前身，使科学家能够测量糖代谢在小鼠大脑中的分布。

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的Janelia研究校区和加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院的同事们用一种染料标记的凝胶填充了小鼠大脑99.9%的血管(数量接近650万)。然后，他们以亚微米的精度对整个大脑进行成像。这导致每个大脑有15万亿个体素，或单个体积元素，它们被转换成一个数字血管网络，可以用数据科学的工具进行分析。

有了他们手中的新地图，研究人员确定了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，白质束是能量需求低的区域，它将神经冲动传递到两个大脑半球并传递到脊髓。研究人员发现那里的血管水平较低。相比之下，他们发现，协调声音感知的大脑区域消耗的能量是正常人的三倍，而且血管密度也大得多。

“在生物系统越来越复杂的时代，观察到哺乳动物大脑中看似复杂的网络下出现了共同的简单和定量的设计规则是很有趣的，”物理系研究生纪说。

接下来，研究人员希望深入研究他们的新地图的更细微的方面，以确定血液流入和流出整个大脑的详细模式。他们还将研究大脑和免疫系统之间尚未探明的关系。

这篇论文的作者包括纪翔、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立卫生研究院(NS097265, MH111438和NS108472)和霍华德休斯医学研究所的老鼠灯项目提供。