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2025年7月18日，韓國基礎(chǔ)科學(xué)研究院Seong-Gi Kim在Nature communications發(fā)表：Somatostatin-expressing interneurons induce early NO-driven and late specific astrocyte-mediated vasodilation，揭示了表達(dá)生長抑素的中間神經(jīng)元誘導(dǎo)早期由一氧化氮介導(dǎo)的血管擴(kuò)張以及晚期由星形膠質(zhì)細(xì)胞特異性介導(dǎo)的血管擴(kuò)張。

背景

神經(jīng)元與血管之間的相互作用（即神經(jīng)-血管耦合）對于維持腦功能至關(guān)重要，因為它確保了神經(jīng)活動區(qū)域的充足血流供應(yīng)。在大腦中，特定類型的中間神經(jīng)元，如表達(dá)生長抑素（SOM）的神經(jīng)元在調(diào)節(jié)局部抑制性和興奮性平衡方面發(fā)揮著重要作用。此外，一氧化氮（NO）作為一種重要的血管擴(kuò)張因子，參與了多種生理過程，包括神經(jīng)血管耦合中的快速血流調(diào)節(jié)。表達(dá)SST的中間神經(jīng)元通過直接和間接方式調(diào)節(jié)腦血流動力學(xué)反應(yīng)，但其作用尚不明確。

本研究中，作者探討了在清醒和麻醉小鼠中，SST中間神經(jīng)元在光遺傳學(xué)刺激以及體感刺激條件下對血流動力學(xué)調(diào)控的影響。長時間光遺傳學(xué)刺激SST神經(jīng)元可通過同時表達(dá)生長抑素和一氧化氮合酶（NOS）的神經(jīng)元誘導(dǎo)血管快速擴(kuò)張并通過星形膠質(zhì)細(xì)胞介導(dǎo)緩慢的血管擴(kuò)張。在長時間感覺刺激過程中也觀察到類似的神經(jīng)血管耦合機(jī)制，表現(xiàn)為誘發(fā)快速和延遲的血管擴(kuò)張。

圖一 在麻醉與清醒狀態(tài)下，感覺刺激和光遺傳學(xué)刺激誘發(fā)的血流動力學(xué)反應(yīng)

首先，作者研究了通過光遺傳學(xué)激活初級軀體感覺前肢區(qū)所誘導(dǎo)的血流動力學(xué)反應(yīng)。血流動力學(xué)反應(yīng)在輕度麻醉（氯胺酮/賽拉嗪）或清醒狀態(tài)下進(jìn)行研究，使用雙波長OIS系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測并隨后轉(zhuǎn)換為血紅蛋白濃度變化。光遺傳學(xué)刺激頻率設(shè)置為1 Hz和20 Hz，刺激持續(xù)時間為5秒和20秒。作為對照實驗，也記錄了在麻醉狀態(tài)下前爪刺激（5 Hz）所誘發(fā)的血流動力學(xué)反應(yīng)。在麻醉狀態(tài)下，短暫的5秒前爪感覺刺激在局部前肢區(qū)域引起了總血紅蛋白濃度快速上升（通常反映腦血容量CBV），表明發(fā)生了血管擴(kuò)張。當(dāng)刺激延長至20秒時，功能性血管反應(yīng)在最初5秒內(nèi)達(dá)到峰值，隨后出現(xiàn)緩慢上升，這一現(xiàn)象與之前在清醒小鼠中的研究結(jié)果一致。與體感刺激誘發(fā)的血流動力學(xué)反應(yīng)相比，在麻醉和清醒狀態(tài)下，SST神經(jīng)元的光遺傳學(xué)刺激在刺激部位引發(fā)了更強(qiáng)的反應(yīng)。值得注意的是，在清醒狀態(tài)下，刺激部位周圍區(qū)域出現(xiàn)了廣泛的負(fù)性CBV反應(yīng)，這與之前在清醒和異氟烷麻醉小鼠中的研究結(jié)果一致。持續(xù)的SST神經(jīng)元光遺傳學(xué)刺激誘發(fā)了三相血管反應(yīng)：初始的快速血管擴(kuò)張、隨后的低谷，以及延遲的持續(xù)性血管擴(kuò)張，在清醒狀態(tài)下的高頻刺激中尤為明顯。在5 Hz和40 Hz刺激條件下，也觀察到了類似的血流動力學(xué)反應(yīng)模式。對20秒SST中間神經(jīng)元光遺傳刺激引起的三相反應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)分析發(fā)現(xiàn)：在麻醉和清醒狀態(tài)下，激活SST神經(jīng)元都能迅速增加CBV，稱為初始峰值。在初始峰值之后，除了麻醉狀態(tài)下1 Hz刺激外，血流動力學(xué)反應(yīng)出現(xiàn)了后續(xù)的下降。特別是在清醒狀態(tài)下，20 Hz刺激引起的反應(yīng)抑制更為明顯。初始峰值與隨后低谷之間的差異，可能反映了SST神經(jīng)元誘導(dǎo)的血管擴(kuò)張與抑制性神經(jīng)元介導(dǎo)的血管收縮之間的平衡。刺激部位的低谷幅度與周圍區(qū)域的負(fù)性CBV反應(yīng)之間存在高度相關(guān)性，表明兩者之間存在關(guān)聯(lián)。在低谷之后，血流動力學(xué)反應(yīng)再次上升并在刺激結(jié)束后持續(xù)約10秒，表現(xiàn)為晚期峰值。盡管初始峰值強(qiáng)度相似，在刺激結(jié)束后，麻醉狀態(tài)下的血管擴(kuò)張幅度高于清醒狀態(tài)。即使在5秒、20 Hz的刺激條件下，麻醉和清醒狀態(tài)下仍可觀察到刺激后的血流動力學(xué)峰值。總之，長時間的20 Hz光遺傳學(xué)刺激SST神經(jīng)元在刺激部位誘發(fā)了三相血流動力學(xué)反應(yīng)：初始快速血管擴(kuò)張、隨后的下降以及刺激結(jié)束后的血管擴(kuò)張。

圖二 超高場BOLD fMRI對前爪刺激和20Hz光遺傳學(xué)刺激的反應(yīng)

為了驗證OIS研究結(jié)果是否可以直接轉(zhuǎn)化為fMRI信號，作者在15.2特斯拉超高場強(qiáng)下對輕度麻醉狀態(tài)下的小鼠進(jìn)行了BOLD fMRI實驗，觀察其在S1FL區(qū)域接受20Hz光遺傳學(xué)刺激時的反應(yīng)。在20秒的右側(cè)前爪刺激過程中，左側(cè)S1FL及其投射區(qū)域（包括左側(cè)S2、丘腦以及右側(cè)S1和M1）均出現(xiàn)了明顯的陽性BOLD信號。這些激活的ROI被用于提取在S1FL區(qū)域光刺激下BOLD信號的時間變化過程。在左側(cè)S1FL區(qū)域進(jìn)行20Hz光遺傳學(xué)刺激后，BOLD信號在刺激結(jié)束后仍持續(xù)升高。然而，在所有下游腦區(qū)中，刺激期間僅觀察到負(fù)性BOLD反應(yīng)，并在刺激結(jié)束后迅速恢復(fù)到基線水平。這表明S1FL區(qū)域SST神經(jīng)元的激活抑制了局部興奮性活動，從而減少了對下游腦區(qū)的突觸輸入，導(dǎo)致負(fù)性BOLD信號的出現(xiàn)。刺激部位與下游區(qū)域之間觀察到的相反反應(yīng)提示，SST神經(jīng)元的激活在神經(jīng)活動和血流動力學(xué)反應(yīng)中可能具有不同的作用機(jī)制。

圖三 NO介導(dǎo)由SST光遺傳學(xué)和感覺刺激誘導(dǎo)的快速血管擴(kuò)張

作者接下來繼續(xù)提出問題：盡管興奮性活動被抑制，但SST中間神經(jīng)元是如何引發(fā)血管擴(kuò)張的呢？由于大量SST中間神經(jīng)元共表達(dá)nNOS，于是作者首先提出了一個假設(shè)：作為強(qiáng)效血管擴(kuò)張劑的一氧化氮（NO）可能介導(dǎo)了血管擴(kuò)張現(xiàn)象。為此，在S1FL區(qū)域通過皮層內(nèi)注射給予一種非選擇性的NOS抑制劑L-NAME。有趣的是，L-NAME顯著消除了三相反應(yīng)中的初始峰值，并降低了清醒狀態(tài)下后期的血管擴(kuò)張。在NOS抑制劑去除了初始峰值后，血管收縮效應(yīng)變得更加明顯。值得注意的是，NOS抑制劑也降低了麻醉狀態(tài)下前爪感覺刺激所誘發(fā)的HbT反應(yīng)且在初始階段的抑制更為明顯。作為對照，作者在表達(dá)神經(jīng)元鈣指示劑GCaMP6f的Thy1小鼠中進(jìn)行了實驗，結(jié)果顯示，生理鹽水注射并未改變前爪刺激誘發(fā)的功能性充血或神經(jīng)元鈣活動。總之，無論是SST神經(jīng)元激活還是感覺刺激所引發(fā)的初始血流動力學(xué)反應(yīng)，至少在一定程度上是由NO釋放所驅(qū)動的。

圖四 SST神經(jīng)元-星形膠質(zhì)細(xì)胞通路介導(dǎo)清醒小鼠在長時間胡須刺激下引發(fā)的晚期血管擴(kuò)張反應(yīng)

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接下來，作者想了解SST神經(jīng)元-星形膠質(zhì)細(xì)胞-血管擴(kuò)張機(jī)制是否也適用于感覺刺激所引發(fā)的血流動力學(xué)反應(yīng)，因為體感輸入會激活包括SST中間神經(jīng)元在內(nèi)的多種皮層神經(jīng)元。為此，在清醒狀態(tài)下采用了自然的胡須刺激方式。首先，在桶狀皮層注射了AAV5-gfaABC1D-SST1.0，在長時間體感刺激期間同時記錄HbT和SST1.0熒光信號。持續(xù)的胡須刺激引發(fā)了SST1.0信號和雙相的HbT反應(yīng)。HbT反應(yīng)包括一個初期的血管擴(kuò)張和隨后的第二階段擴(kuò)張，這一結(jié)果與此前研究一致，也驗證了在清醒狀態(tài)下實施的胡須刺激方法是可靠的。有趣的是，HbT反應(yīng)的增強(qiáng)伴隨著SST熒光信號的上升，且SST信號的持續(xù)時間比HbT更長。這表明星形膠質(zhì)細(xì)胞中的SST受體（SSTR）活動可能在維持長時間感覺刺激引發(fā)的晚期血流動力學(xué)反應(yīng)中發(fā)揮了作用。于是進(jìn)一步驗證SST神經(jīng)元-星形膠質(zhì)細(xì)胞-血管通路的因果關(guān)系。胡須刺激引發(fā)了星形膠質(zhì)細(xì)胞鈣活動的快速上升，同時伴隨著雙相的血流動力學(xué)反應(yīng)。激活星形膠質(zhì)細(xì)胞顯著降低了星形膠質(zhì)細(xì)胞的鈣信號，尤其是在鈣反應(yīng)的初始階段。胡須刺激引發(fā)的CBV增加的第二階段也被抑制，且刺激后未再出現(xiàn)進(jìn)一步擴(kuò)張。盡管血流動力學(xué)反應(yīng)的初始階段也有輕微下降，但主要影響出現(xiàn)在后期階段。與星形膠質(zhì)細(xì)胞的化學(xué)遺傳抑制結(jié)果相似，阻斷SSTR也顯著降低了星形膠質(zhì)細(xì)胞的鈣活動和第二階段的血管擴(kuò)張。此外，在清醒狀態(tài)下重復(fù)了對SST神經(jīng)元的化學(xué)遺傳學(xué)抑制實驗。抑制SST神經(jīng)元后，第二階段的血管擴(kuò)張減弱，而初始階段的血管擴(kuò)張基本保持不變。作者還計算了三種實驗操作在三個10秒時間窗口內(nèi)對CBV反應(yīng)的抑制程度。在最初的10秒內(nèi)，三種實驗均表現(xiàn)出輕微的抑制作用。最強(qiáng)的抑制出現(xiàn)在刺激最后的10秒內(nèi)。這種在不同干預(yù)下相似的抑制模式表明，感覺驅(qū)動的SST活動誘導(dǎo)了星形膠質(zhì)細(xì)胞的鈣活動從而引發(fā)血管擴(kuò)張。總之，SST中間神經(jīng)元-星形膠質(zhì)細(xì)胞-血管通路在增強(qiáng)長時間感覺刺激引發(fā)的血流動力學(xué)反應(yīng)中起著關(guān)鍵作用。

作者的研究揭示了SST中間神經(jīng)元調(diào)控血流動力學(xué)反應(yīng)的潛在機(jī)制。無論是通過光遺傳學(xué)激活SST神經(jīng)元還是進(jìn)行體感刺激，都會引發(fā)兩種血管調(diào)控過程：早期由NO和/或興奮性神經(jīng)元介導(dǎo)的反應(yīng)以及后期涉及星形膠質(zhì)細(xì)胞的反應(yīng)。SST神經(jīng)元-星形膠質(zhì)細(xì)胞通路在長時間感覺刺激中介導(dǎo)了緩慢而特異性的血管擴(kuò)張反應(yīng)。這些發(fā)現(xiàn)解答了長期以來關(guān)于中間神經(jīng)元-星形膠質(zhì)細(xì)胞-血管調(diào)控機(jī)制的疑問，尤其對人類認(rèn)知腦成像研究具有重要意義。

但是在初級體感皮層中的發(fā)現(xiàn)可能無法直接推廣到其他皮層區(qū)域或認(rèn)知任務(wù)中。還需要進(jìn)一步研究以確定這種機(jī)制是否是不同腦區(qū)和功能背景下長時間任務(wù)中的一種普遍現(xiàn)象。

文章來源

https://doi.org/10.1038/s41467-025-61771-5