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2025年07月18日 14:29广东
我们的大脑整天都在执行复杂且耗能的任务，例如记忆、解决问题和做出决策。
为了在储存宝贵的“燃料”的同时提供这些任务所需的能量，大脑进化出了一种系统，使其能够快速有效地将血液输送到任何特定时刻最需要的区域。这个系统对大脑功能和整体健康至关重要，但它的运作机制至今仍是一个谜。
现在，由哈佛医学院研究人员领导的团队发现了大脑如何实时将血液输送到活跃区域的新细节。他们的研究成果发表在7月16日的《细胞》杂志上。
在小鼠实验中，研究小组发现大脑使用血管内壁中的特殊通道来传达需要血液的位置。“这项工作有助于我们了解如何在有用的时间尺度上将极其重要的血液供应到大脑的正确区域。”哈佛大学布拉瓦尼克研究所神经生物学研究员Luke Kaplan说。
如果在动物和人类的进一步研究中得到证实，这些发现将有助于更好地理解脑成像测试，例如功能性磁共振成像 (fMRI)。这些见解也可能增进对神经退行性疾病的理解，在神经退行性疾病中，这种沟通系统经常发生故障，从而导致认知问题。
一个长期存在的机械难题
19 世纪末，意大利医生Angelo Mosso)在一名颅骨缺损、大脑某个区域暴露的患者身上观察到了一些有趣的现象：当患者生气时，暴露区域的部分会立即因血液而肿胀 - 这暗示着大脑活动和血流之间存在联系。
一个世纪后，这种联系成为了 fMRI 的基础，fMRI 是一种脑部扫描技术，可以测量个体执行各种任务时不同区域的血流量，作为神经活动的代表。
大脑是人体最耗能的器官之一，占人体重量的2%，但却消耗着人体总能量的20%。为了控制能量消耗，大脑必须非常高效：它能快速地将血液引导到最需要的区域，哈佛医学院神经生物学教授、资深作者Chenghua Gu解释说。
Chenghua Gu说，虽然大脑的能量消耗比例因物种而异，取决于器官的复杂程度，但大脑是所有哺乳动物的能量消耗器官。
“有一种优雅的进化机制可以按需分配整个大脑的血流，但我们不了解它是如何运作的，”该研究的共同主要作者、实验室的博士生Trevor Krolak说。
Krolak指出，这种血液分配过程在神经退行性疾病中会恶化，了解其内部运作可能会带来新的见解。
他说：“如果我们不知道这个系统在生物学层面上是如何运作的，那么当它出现问题时我们就不知道如何修复它。”
揭示细胞信号高速公路
为了了解不同大脑区域活跃时在分子水平上发生的情况，研究人员在小鼠身上进行了一系列实验。他们的分析表明，大脑通过排列在脑血管内的内皮细胞快速传达特定区域需要更多血液的信息。此外，研究人员观察到，内皮细胞通过所谓的间隙连接（即连接相邻细胞的微小通道）进行快速高效的沟通。研究小组还发现了两个对这种通讯通路功能至关重要的基因。
Krolak说：“大脑本质上利用血管内壁作为一条广泛而协调的信号高速公路。”
通过这样做，大脑可以传达哪些血管需要协同扩张或收缩，以便在正确的时间将血液输送到正确的区域。
Gu说：“这些发现有助于我们了解大脑如何将血液输送到需要的确切位置，从而使其能够有效地利用有限的能量供应。”
其他类型的细胞也通过间隙连接进行连接，间隙连接基因突变与心脏病、耳聋和其他疾病有关。因此，研究人员指出，这项新发现为进一步研究全身细胞如何利用这些连接进行通讯打开了大门。
Gu教授表示，由于哺乳动物的脑血管系统高度保守，同样的系统很可能也适用于人类。如果这些发现确实能够应用于人类，研究人员认为，他们能够改进对依赖于血流与神经活动之间联系的fMRI的解读。
研究人员表示，越来越多的证据表明，血液供应调节对大脑健康至关重要，而在某些神经退行性疾病中，这种调节开始失效。研究团队希望他们的发现能够揭示神经退行性疾病过程中大脑发生的变化。
“现在我们已经弄清楚了其中的机制，我们希望运用我们的知识来了解疾病和开发治疗方法。”
参考文献
Brain endothelial gap junction coupling enables rapid vasodilation propagation during neurovascular coupling
