一项新研究介绍了一种名为“电-钙偶联” 的过程，该过程整合了脑毛细血管中的电信号和钙信号，以确保向活跃神经元精确输送血液。为治疗卒中和失智症提供了新见解。
《EurekAlert》
12月9日
由佛蒙特大学（University of Vermont，UVM）拉纳医学院（Larner College of Medicine）的 Mark Nelson 博士带领的 UVM 科学家团队，揭示了一种新机制，这一机制重塑了我们对脑血流调节方式的理解。该研究发表于《美国国家科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences，PNAS），介绍了一种名为“电-钙偶联”（Electro-Calcium Coupling，E-Ca Coupling）的过程，该过程整合了脑毛细血管中的电信号和钙信号，以确保向活跃神经元精确输送血液。论文题目“脑毛细血管中的电钙偶联：快速传播的电信号触发局部钙信号”（Electrocalcium coupling in brain capillaries: Rapidly traveling electrical signals ignite local calcium signals）。
研究于2024年12月9日发表在《Proceedings of the National Academy of Sciences》（最新影响因子：9.4）杂志上
在人体中，血液从表面动脉通过穿通动脉（从动脉分支出的小血管）以及数百英里长的毛细血管输送到大脑，这些毛细血管极大地扩展了灌注区域。大脑是一个代谢需求极高且缺乏大量能量储备的器官，它能够在血压波动的情况下维持恒定的血流（自动调节），但依赖于按需输送过程，即神经元活动触发局部血流增加，以选择性地向活跃区域分配氧气和营养物质。
Nelson 表示：“这种由神经血管偶联（Neurovascular coupling，NVC）机制共同介导的使用依赖性局部血流增加（功能性充血）对于正常大脑功能至关重要，并且是功能性磁共振成像（fMRI）的生理基础。此外，包括功能性充血在内的脑血流（Cerebral blood flow，CBF）不足是脑小血管病（Small vessel diseases，SVD）和阿尔茨海默病在出现明显临床症状之前的早期特征。”
脑血流输送依赖于电信号机制，该机制通过毛细血管网络传播至上游动脉小血管以输送血液，还依赖于钙信号机制，该机制对局部血流进行微调。多年来，人们一直认为这些机制是独立运作的。然而，Nelson 的研究揭示，这些系统通过 E-Ca 偶联紧密相连，其中电信号增强钙进入细胞，放大局部信号并将其影响扩展到邻近细胞。
研究表明，毛细血管细胞的电超极化通过激活毛细血管内皮细胞中的 Kir2.1 通道迅速传播，这些通道是细胞膜上的特殊蛋白质，能够检测钾水平的变化并通过细胞间传递来放大电信号。这会在毛细血管网络中形成波浪状的电信号。同时，由 IP3 受体（位于细胞内储存部位的膜上的蛋白质）引发的钙信号会对特定的化学信号做出反应，释放储存的钙，通过触发血管反应来微调血流。E-Ca 偶联将这两个过程连接起来，Kir2.1通道产生的电波增强了钙活性，形成了一个同步系统，既能局部调整血流，也能在更广泛的范围内调整血流。
研究人员使用先进的成像技术和计算机模型，观察了这一机制的实际作用。他们发现，毛细血管细胞中的电信号使钙活性提高了 76%，显著增强了其影响血流的能力。当团队通过刺激这些细胞来模拟大脑活动时，钙信号增加了 35%，显示了这些信号如何在毛细血管网络中传播。有趣的是，他们发现信号在毛细血管床中均匀传播，确保所有区域的血流保持平衡，而不偏向某一方向。
Nelson 指出：“最近，UVM 团队还证明，脑小血管病和阿尔茨海默病中的脑血流不足可以通过电信号的一个关键辅因子来纠正。当前的研究表明，钙信号也可能得到恢复。可以这么说，我们的‘圣杯’是早期恢复脑血管病的脑血流能否减缓认知能力下降。”
这一发现强调了毛细血管在调节大脑血流中的关键作用。通过研究电信号和钙信号如何通过电-钙偶联协同工作，该研究揭示了大脑高效地将血液输送到对氧气和营养物质需求最大的区域的能力。这尤为重要，因为血流中断是许多神经系统疾病（如卒中、失智症和阿尔茨海默病）的标志性特征。了解 E-Ca 偶联的机制为探索这些疾病的治疗方法提供了新的框架，可能开发出恢复或增强血流并保护大脑健康的治疗方法。这一突破还提供了对大脑如何维持能量平衡的更深入理解，这对于维持认知和躯体功能至关重要。
创立于1791年的佛蒙特大学
参考文献
Source：University of Vermont
UVM research team unveils breakthrough mechanism in brain blood flow regulation
Reference：
Mughal, Amreen et al, Electrocalcium coupling in brain capillaries: Rapidly traveling electrical signals ignite local calcium signals, Proceedings of the National Academy of Sciences (2024). DOI: 10.1073/pnas.2415047121. doi.org/10.1073/pnas.2415047121
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原文标题 : 揭示脑血流调节机制的重大突破
