『哈佛大学』《自然》：大脑消耗能量的场面太震撼了！哈佛华人科学家借助双光子显微镜，首次记录下活体小鼠大脑血流精准调控全过程丨科学大发现 |技术|2019未来科学大奖|高血压|

大脑，可以说是人体最奇妙的器官了。
它重3斤左右，仅占人体重的2% ，但是它消耗的能量却占人体的20% 。
由于大脑不储存能量，且各部分对能量的需求不均衡，因此神经系统对脑部血流的实时调控，对大脑正常工作非常重要。
科学家把大脑中这种能量的调节方式叫做神经-血管耦合。简单的说就是，如果大脑的某个区域活动增强，它需要的能量就会增加，这个区域的血管会扩张，血流量大幅增加，以满足大脑活动对能量的需求[1] 。

本文插图
神经组织（绿色）活动加强（变亮），血管扩张（红色或紫色？）
虽然科学家很早就观察到了这种现象，但是我们对这个现象背后的机制知之甚少。
研究人员已经在高血压、糖尿病和阿尔兹海默病患者的大脑中观察到这种耦合作用受损。因此，搞清楚背后的机制，不仅仅是解开了一个谜团，还有重要的临床价值。
哈佛医学院神经生物学教授Gu Chenghua教授（顾成华，音译）团队，借助双光子显微镜技术，在活体小鼠的大脑中，解开了上述谜团。她们发现，是大脑小动脉内皮细胞上的小窝，在调节神经与血管之间的快速耦合互动。这项重要的研究成果发表在顶级期刊《自然》杂志上[2] 。

本文插图
顾教授
在顾教授看来，要解决困扰科学家多年的难题，第一步要做的事情就是能看清神经与血管的耦合，而且能通过外界刺激控制它们的耦合。
她们把突破口放在了小鼠的桶状皮层上。这个桶状皮层专门处理胡须传递给大脑的触觉信号[3] 。
这就意味着，只要你去触碰小鼠的胡须，它大脑的桶状皮层就会活跃起来，能量的消耗就要增加，血管就得扩张，给这个位置输送更多的血液。
她们很快就搭建了这个活体观察系统。下面的动图就是。

本文插图
顾教授团队搭建的观察系统
从左边的图中我们可以看到，当研究人员触碰小鼠的胡须的时候，小鼠挣扎了几下。这个刺激导致小鼠桶状皮层神经活动活跃（右图中的神经组织亮度增高），与此同时，平滑肌细胞（SMC）松弛，血管扩张（红色管道变粗），血流量大幅提升。
如此看来，这个观察系统是搭建好了。
那下一步从哪里着手呢？顾教授的团队把小动脉内皮细胞（aECs）作为研究对象。这主要是因为小动脉内皮细胞与毛细血管的内皮细胞（cEC）有个很明显的不同点：小动脉内皮细胞上有很多往细胞内凹陷的小窝，而毛细血管内皮细胞上的小窝几乎可以忽略不计。

本文插图
大脑中的毛细血管（左）和动脉血管（右）
粉红色的箭头所指的就是小窝
这个现象让顾教授的团队很费解。我们都知道，我们的大脑为了保持独立性，有一个血脑屏障将血液循环系统和大脑隔离开，所以内皮细胞表面出现小窝是不安全的。实际情况也确实如此，为了保持血脑屏障的完整性，大部分神经系统内皮细胞都很少有内陷的小窝[4-6] 。
然而，小动脉内皮细胞（aECs）表面布满了小窝。此外，包围着小动脉内皮细胞的平滑肌细胞上也有一些小窝，而且小窝主要分布在小动脉内皮细胞附近。
那就先拿小窝开刀。
顾教授团队首先敲除了形成小窝的关键基因。