死宅更容易變傻？？Science正經(jīng)研究：大腦缺氧竟是常態(tài)，但靠運動可以改善
還不趕快運動起來（Doge）
克雷西 發(fā)自 凹非寺
量子位 | 公眾號 QbitAI
Science上的一項最新研究發(fā)現(xiàn)，不愛運動，大腦會更加缺氧！
來自丹麥、瑞士和美國的研究人員，拍下了小鼠大腦中的氧氣分布：
圖中越亮的部分，代表氧氣含量越高，反之則表示氧氣較少，出人意料的是，缺氧才是大腦中的常態(tài)。
經(jīng)過20分鐘的連續(xù)觀察，作者發(fā)現(xiàn)，即使在清醒狀態(tài)下，大腦中也會自發(fā)產(chǎn)生一系列缺氧的區(qū)域，稱之為“缺氧口袋”（hypoxic pockets）。
缺氧是常態(tài)，而大腦又是一個極其脆弱的器官，缺氧極有可能導致腦細胞不可逆的損傷。
這可咋辦？
倒也不用太擔心——作者發(fā)現(xiàn)，只要運動起來，這樣的缺氧負擔就能減少一半以上。
而對于這一發(fā)現(xiàn)背后的技術(shù)，論文通訊作者、羅切斯特大學神經(jīng)科學家Maiken Nedergaard教授感到十分興奮：
這項技術(shù)為研究阿爾茲海默癥等與腦補缺氧相關(guān)的疾病，打開了新的大門，同時其與生活方式等因素之間的關(guān)系，也將有機會被揭開……
總之，為了你的頭腦能一直保持清醒，還是得多多運動……（手動狗頭）
運動改善腦部缺氧
我們的大腦，是耗氧量極大的器官，以僅約3%的重量消耗了近三成的氧氣。
但它又十分脆弱，一旦氧氣缺乏，腦細胞就會出現(xiàn)不可逆的損害，損害的具體途徑包括但不限于以下幾點：
- 氧化磷酸化無法進行，導致能量缺失和功能喪失
- 介導凋亡信號調(diào)節(jié)，釋放特定蛋白酶使細胞進入不可逆的凋亡程序
- 引起自由基的增加，損傷細胞膜、蛋白質(zhì)和DNA
- 細胞外興奮性氨基酸大量釋放堆積引起鈣離子內(nèi)流，使細胞內(nèi)游離鈣超載
- ……
而Science這項研究又表明，缺氧的現(xiàn)象在大腦中，是天然存在的。
具體來說，研究人員使用生物發(fā)光氧指示劑，對清醒小鼠的大腦皮層進行了氧成像。
他們觀察到，在沒有任何外部刺激的情況下，大腦皮層的氧合狀態(tài)也并非恒定，而是動態(tài)變化的。
作者還發(fā)現(xiàn)了一些局部區(qū)域，這些區(qū)域的氧分壓水平比周圍組織低，即所謂的“缺氧口袋”。
在這些缺氧口袋中，氧氣的分壓只有11毫米汞柱（mmHg），遠低于18mmHg的腦缺氧閾值。
而且缺氧口袋出現(xiàn)的頻率還不低，僅僅20分鐘就有200個左右，還經(jīng)常重復出現(xiàn)在同一區(qū)域。
進一步地，研究人員對這些缺氧口袋的形成原因進行了探究，結(jié)果是與局部毛細血管流動的中斷有關(guān)。
他們把直徑4微米的微球注入小鼠的血液中，以模擬和研究毛細血管流動受阻的情況，它們會在大腦的微循環(huán)系統(tǒng)中引起局部的血流中斷。
由于血液流動的中斷，氧氣無法有效地輸送到受影響的腦區(qū)，導致這些區(qū)域的氧分壓下降，形成了缺氧口袋。
實驗觀察到，微球注射后，缺氧口袋的數(shù)量雖然有所減少，但每個口袋的覆蓋面積卻增加了。這可能是因為微球阻塞了多個毛細血管，導致相鄰的缺氧口袋合并成一個更大的區(qū)域。
此外，微球引起的血流中斷還可能導致局部的血液重新分布，進一步影響周圍區(qū)域的氧合狀態(tài)。
而大量研究顯示，腦血流量的減少與認知功能下降之間存在著緊密的聯(lián)系——腦內(nèi)毛細血管堵塞，升高了阿爾茨海默癥等疾病的患病風險。
這可怎么辦是好……作者很快想到，在靜息狀態(tài)下大腦會天然缺氧，那動起來會是什么樣呢，并緊接著就進行了探究。
結(jié)果可以說是給人們吃上了一顆定心丸——改善這種缺氧口袋的方法十分簡單，只要運動就可以了。
研究者們將小鼠分為三組，分別在KX麻醉狀態(tài)下、清醒靜止狀態(tài)下和清醒運動狀態(tài)下進行實驗，分析了在不同狀態(tài)下收集的數(shù)據(jù)，比較了缺氧口袋的數(shù)量、覆蓋面積、持續(xù)時間和大小。
他們發(fā)現(xiàn)，在運動狀態(tài)下的小鼠大腦皮層中，缺氧口袋的數(shù)量和影響范圍顯著減少，減少幅度約為52%。
看到這里，或許你有一個疑問——運動難道不會消耗更多氧氣嗎，怎么缺氧口袋反而變小變少了一大半呢？
前面說過，缺氧口袋的形成與血液循環(huán)有關(guān)，進一步研究表明，剛好與阻塞相反，血管擴張可以減少缺氧口袋的數(shù)量和覆蓋面積。
作者通過給小鼠吸入二氧化碳的方式對其血管進行了擴張，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在吸入開始后氧分壓開始增加，缺氧口袋的數(shù)量和面積都出現(xiàn)了明顯下降。
而運動也是可能導致大腦中血管擴張的一個重要原因，增加了血流量，改善了氧氣的局部供應(yīng)，從而減少了缺氧口袋的形成。
此外運動時心臟泵血也會增強，血液循環(huán)加快，從而提高了氧氣和營養(yǎng)物質(zhì)輸送到大腦的效率。
看到這，你是不是覺得自己也該邁開腿、動起來了呢？（手動狗頭+1）
熒光技術(shù)將揭開大腦更多秘密
對于這一結(jié)果的發(fā)現(xiàn)，研究中運用到的生物熒光技術(shù)功不可沒。
具體來說，作者使用的是一種名為GeNL（Green enhanced Nano-lantern）的由基因編碼的熒光氧指示劑。
它結(jié)合了熒光素酶的活性和熒光蛋白的特性，用于實時監(jiān)測活體組織中的氧分壓，克服了傳統(tǒng)氧測量技術(shù)在空間和時間分辨率上的限制。
GeNL由熒光素酶NanoLuc和熒光蛋白mNeonGreen組成，前者可以催化底物furimazine（呋喃嗪）的氧化反應(yīng)，反應(yīng)過程中會產(chǎn)生光；后者則起到了熒光放大器的作用。
利用基因工程技術(shù)，研究者將GeNL導入到了小鼠的星狀膠質(zhì)細胞，并在小鼠頭部創(chuàng)建了一個透明的顱窗，以便進行大腦皮層的實時成像。
研究者們使用專門的生物發(fā)光成像系統(tǒng)來檢測和記錄由GeNL產(chǎn)生的光信號。這個系統(tǒng)能夠?qū)⒐庑盘栟D(zhuǎn)換成圖像，從而監(jiān)測大腦皮層中的氧分壓變化。
這篇論文中的所有發(fā)現(xiàn)，都是這樣一套流程下的產(chǎn)物。
或許這項研究還需時日才能推廣到人類，但適當?shù)貏右粍?，總歸是沒壞處的。
論文地址：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adn1011
參考鏈接：
https://healthsciences.ku.dk/newsfaculty-news/2024/03/new-imaging-method-illuminates-oxygens-journey-in-the-brain/
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